朱道云，吳 肖，龐 瑋，陳 峻，周譽昌

(廣東工業(yè)大學 實驗教學部，廣州 510006)

超聲波聲速測量實驗的拓展

朱道云，吳 肖，龐 瑋，陳 峻，周譽昌

(廣東工業(yè)大學 實驗教學部，廣州 510006)

在超聲波聲速測量實驗的基礎上，增加了學生利用示波器測量電壓信號幅值及頻率的學習。通過拓展內容的訓練，加強了學生對示波器使用的練習，鞏固了對諧振知識的理解及對信號衰減現(xiàn)象的觀察，訓練了學生利用軟件作圖的數(shù)據(jù)處理能力，豐富了大學物理實驗的內容。

超聲波；示波器；電壓；頻率

超聲波廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、生物醫(yī)學和科學研究等各個領域[1-3]，通過對超聲波聲速的測量，可以進行超聲波測距和定位、測量氣體溫度瞬間變化及探傷等[4-9]。在大學物理實驗中，超聲波聲速測量實驗一般是利用共振干涉法和相位比較法測量聲速[10-13]，實驗過程借助示波器觀察駐波和李薩如圖形。在教學中發(fā)現(xiàn)，學生在實驗過程中對示波器的使用不熟練，操作時顯得盲目和無措，很多情況下需要教師指導才能調出信號，甚至有時會把教師指導所調出的信號再次調節(jié)消失。此外，諧振頻率調節(jié)這一環(huán)節(jié)往往會遺漏。示波器的使用盡管是大學物理實驗的重要教學內容之一，但學生僅利用對示波器所開設的3個課時的學習很難熟練掌握該儀器的使用與調試，常常在后續(xù)的實驗中遇到使用示波器的情況下還是無從下手。針對這一教學情況，加強示波器學習訓練顯得很有必要。超聲波聲速測量實驗就是一個很好的加強學生學習示波器操作的契機，可充分利用該實驗的儀器裝備及實驗過程加強學生對示波器的使用練習。

1 拓展內容

在超聲波聲速測量實驗中，聲壓信號通過壓電陶瓷換能器轉換為電壓信號，然后在示波器上顯示出來。聲速測量實驗中不需要對電壓信號的幅值進行測量，只需觀察和記錄幅值最大處接收壓電陶瓷換能器的位置坐標，且信號的頻率是通過信號源讀取的，因此，可在原有實驗內容基礎上增加電壓幅值及信號頻率的測量。

1.1 示波器的校準

為了精確測量壓電陶瓷換能器接收到的信號的幅值，首先需要對示波器進行校準。把示波器(CS-4125)自帶的方波校準信號(Vp-p=2V，1kHz)輸入到示波器的第一個通道(CH1)，把“y軸靈敏度”和“時間軸靈敏度”分別調到“0.5 V/div”和“1ms/div”位置，調節(jié)微調旋鈕使得方波垂直幅值(Vp-p)占4個方格，水平軸10個方格內顯示10個完整周期的方波，然后把方波校準信號輸入到示波器的第二個通道(CH2)，用同樣的方法校準示波器的第二個通道，即完成了示波器校準。

1.2 電壓信號隨距離衰減的測量

將SV5型聲速測量專用信號源的發(fā)射S1和SV6聲速測量組合儀發(fā)射S1利用卡口線連接；SV6聲速測量組合儀接收S2與CS-4125型示波器CH2通道連接；旋轉SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電陶瓷換能器位置，使示波器CH2通道接收信號出現(xiàn)極大值，然后調節(jié)信號源頻率調節(jié)旋鈕，使示波器CH2通道接收信號振幅最大，此時的信號源頻率為諧振頻率(37kHz附近)。改變接收壓電陶瓷換能器位置，每間隔3個振幅最大值記錄一次接收壓電陶瓷換能器的位置x，同時記錄最大的振幅值所占的垂直格數(shù)n，利用示波器y軸靈敏度計算對應的電壓峰峰值U，得到一組峰峰值電壓U和傳播距離x的數(shù)據(jù)，利用Origin軟件將這些數(shù)據(jù)畫出如圖1所示的關系圖。

圖1 電壓峰峰值U隨接收換能器位置x的變化關系圖

通過對圖1數(shù)據(jù)的測量與處理，不僅可訓練學生對電壓信號的多次測量，還可讓學生觀察接收信號幅值隨發(fā)射源距離的變化而發(fā)生衰減的現(xiàn)象；同時，也了解了非電信號通過傳感器轉換為電信號的示波器測量，數(shù)據(jù)分析與處理過程還鍛煉了學生利用Origin等軟件作圖的能力。

1.3 電壓信號隨頻率變化的測量

將SV5型聲速測量專用信號源的發(fā)射S1與校準過的示波器第一個通道(CH1)利用卡口線連接，示波器的第二個通道(CH2)與SV6聲速測量組合儀接收S2連接，示波器雙通道模式顯示專用信號源的電壓信號和壓電陶瓷換能器接收到的駐波信號。如前所述，調節(jié)專用信號源的頻率達到諧振，使示波器第二個通道(CH2)接收到的信號幅值最大。以接收信號振幅最大時信號源頻率為中心頻率，改變SV5型聲速測量專用信號源的頻率，觀察并記錄專用信號源顯示的頻率f0，測量示波器第二個通道(CH2)顯示的電壓信號幅值U與頻率f，比較f0與f的差別，并利用Origin做出電壓U隨頻率f變化的圖，如圖2所示。

通過圖2數(shù)據(jù)的測量與分析，可鍛煉學生對電壓、周期及頻率的測量，鞏固諧振知識，并把測量的信號頻率與信號源顯示的頻率進行比較，分析誤差大小及產生原因。

圖2 電壓U隨頻率f變化圖

2 結束語

通過拓展超聲波聲速測量實驗內容，加強了學生對示波器使用的訓練，加深了學生對實驗現(xiàn)象的觀察和對知識的理解，提高了動手能力。

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Expansion of the Ultrasonic Sound Velocity Measurement Experiment

ZHU Daoyun, WU Xiao, PANG Wei, CHEN Jun, ZHOU Yuchang

(Department of Experimental Teaching，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China)

The measurements of voltage amplitude and frequency by oscilloscope were appended to the ultrasonic sound velocity measurement experiment. By expanding the content of the training, oscilloscope exercises were strengthened, the understanding of resonant knowledge was consolidated and signal attenuation was observed. The ability of students to use the software mapping was also trained and the college physics experiment content was enriched.

ultrasonic wave; oscilloscope; voltage: frequency

2014-03-16

廣東省高等教育學會實驗室管理專業(yè)委員會基金項目(GDJ2012059)；廣東工業(yè)大學教育教學改革項目(2013ZY005)；廣東工業(yè)大學高教研究基金項目(2011YZ07)。

朱道云(1975-)女，博士，講師，研究方向：功能材料、大學物理實驗教學與管理。

O426；G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.006