朱方璽，曹偉然

（臨沂大學(xué)理學(xué)院，山東臨沂276005）

1 引 言

在駐波法測量聲速實(shí)驗(yàn)[1－4]中，存在一些產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的因素，致使實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏離客觀實(shí)際.駐波法測量聲速的實(shí)驗(yàn)[1－4]原理如圖1所示，由信號發(fā)生器發(fā)出的信號波，進(jìn)入到聲速測定儀，測定儀的發(fā)射端S1發(fā)射的聲波信號經(jīng)空氣傳播到達(dá)前方的接收器S2，在接收面上設(shè)置反射裝置，則入射波將被反射回去，在發(fā)射面上也裝有反射裝置，故反射波又將被反射回去.如此往返，聲波經(jīng)多次疊加，將在聲源發(fā)生器與接收器之間發(fā)生共振干涉現(xiàn)象，形成能量較強(qiáng)的駐波.此駐波的能量通過壓電陶瓷換能器的轉(zhuǎn)換作用，轉(zhuǎn)換為電信號，并把此電信號輸入到示波器上顯示信號波形，利用此波形來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖

在實(shí)驗(yàn)中，需要人為辨別輸入示波器的信號的強(qiáng)度是否達(dá)到極大，若滿足條件，停止對聲速測定儀的操作并讀出其示數(shù).這個過程比較困難，因?yàn)椴⒉恢老乱粫r刻的信號強(qiáng)度與這一時刻的信號強(qiáng)度之間的大小關(guān)系，通常情況下，接收端停止移動時會錯過信號強(qiáng)度極大的位置或不能達(dá)到信號強(qiáng)度極大的位置.

為此，筆者改進(jìn)了聲速測量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，減小了實(shí)驗(yàn)誤差，提高了實(shí)驗(yàn)精度，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精確.

2 改進(jìn)措施

改進(jìn)思想是：用系統(tǒng)自動辨別信號強(qiáng)度是否達(dá)到記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件來代替原實(shí)驗(yàn)中的人為辨別信號強(qiáng)度是否達(dá)到記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件；用單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等自動控制器件來控制聲速測量儀上接收端的移動[5－6]，使接收端在信號強(qiáng)度滿足記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件時，停止移動.為此，首先放大輸入信號，使其強(qiáng)度滿足單片機(jī)工作時對信號強(qiáng)度的要求并使系統(tǒng)抵抗外界干擾的能力增強(qiáng)，再整理改變該信號的波形，使其變?yōu)榇笮‰S原信號強(qiáng)度進(jìn)行有規(guī)律變化的直流脈動信號；用步進(jìn)電機(jī)控制聲速測量儀用以改變接收器與發(fā)射器之間的距離的旋輪的轉(zhuǎn)動，用單片機(jī)辨別經(jīng)過整理的波的強(qiáng)度并控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動.其整體示意圖如圖2所示.

圖2 改進(jìn)系統(tǒng)示意圖

2.1 對原檢測信號的放大

聲速測定實(shí)驗(yàn)儀傳送到示波器的信號強(qiáng)度比較弱，用單片機(jī)判別信號強(qiáng)度是否到達(dá)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)條件比較困難，故使用放大電路放大信號強(qiáng)度，使其滿足單片機(jī)工作時對信號強(qiáng)度的要求.同時，增強(qiáng)系統(tǒng)的抗外界干擾能力.信號放大電路圖如圖3所示.

圖3 信號放大電路

2.2 積分濾波

步驟2.1滿足了單片機(jī)工作時對信號強(qiáng)度的要求.但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，外界的干擾是不可避免的，干擾信號會隨著原信號的放大而被放大，影響本系統(tǒng)的正常工作.故需要濾波積分電路來濾除干擾雜波，用以減小外界干擾對單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的影響，并對原信號進(jìn)行積分，使其變?yōu)樵葱盘?電路原理圖如圖4所示.

圖4 檢波電路

2.3 單片機(jī)判別條件，進(jìn)行操作

單片機(jī)能夠進(jìn)行判別并比較判斷的信號為數(shù)字信號[7]，故需要ADC0804把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供單片機(jī)進(jìn)行取樣比較.單片機(jī)遵循設(shè)定好的程序，準(zhǔn)確控制步進(jìn)電機(jī).單片機(jī)及其周圍電路原理圖如圖5所示.

圖5 單片機(jī)及其周圍控制電路

由于聲速測量實(shí)驗(yàn)儀的輸出信號強(qiáng)度隨S1和S2距離的改變而改變，很難確定放大電路的放大倍數(shù)以滿足ADC0804對所轉(zhuǎn)換信號強(qiáng)度的要求.又知，在等頻信號中最小值之間的距離等于最大值之間的距離.故本系統(tǒng)用單片機(jī)判斷信號的最小值代替原實(shí)驗(yàn)中判斷信號的最大值.

2.4 電源電路系統(tǒng)

在上述各部分中，需要參量穩(wěn)定的電源[8]作為有力后盾.產(chǎn)生穩(wěn)定電源的電路原理圖如圖6所示.改進(jìn)后的聲速測量實(shí)驗(yàn)儀如圖7所示.

圖6 電源模塊

圖7 改進(jìn)后的聲速測量實(shí)驗(yàn)儀

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較

用改進(jìn)后的方法測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示（f＝39.051kHz，T＝301.5K）.由逐差法可知波的半波長為4.439 68mm，經(jīng)公式計(jì)算可得，聲速v＝346.748m／s.相對于理論值，偏差為0.374%.用改進(jìn)前的方法測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2.實(shí)驗(yàn)條件同表1.

表1 改進(jìn)后測量數(shù)據(jù)

表2 改進(jìn)前測量數(shù)據(jù)

由逐差法可知波的半波長為4.533 24mm，經(jīng)公式計(jì)算可得，聲速v＝354.055m／s.相對于理論值，偏差為1.725%.

當(dāng)溫度為T＝301.5K的時候，聲速的理論值為v＝348.05m／s.

用本系統(tǒng)測得的聲速更加符合理論值.研究結(jié)果顯示，此改進(jìn)系統(tǒng)能夠完成預(yù)定的目標(biāo)，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度.

4 結(jié)束語

改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)精巧，能完成預(yù)定的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)目的，減小實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)精度.值得指出的是，本系統(tǒng)不只在本實(shí)驗(yàn)中起到重要作用，它還能夠測出任意符合要求波的傳播速度.

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