馮升同 楊寶林 郭立群 吳 波

(北京石油化工學(xué)院工程師學(xué)院，北京 102617)

物理實(shí)驗(yàn)

一個新的測量空氣中聲速溫變系統(tǒng)

馮升同 楊寶林 郭立群 吳 波

(北京石油化工學(xué)院工程師學(xué)院，北京 102617)

為了研究空氣中聲速隨溫度變化的特性，開發(fā)了基于80C196單片機(jī)的測量聲速的新系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用時(shí)差法計(jì)算聲速。利用單片機(jī)發(fā)射和接收聲波，并記錄發(fā)射和接收的時(shí)間差。采用IN4148二極管作為溫度傳感器，設(shè)計(jì)了不平衡測溫電橋電路。通過在玻璃管身上均勻纏繞電阻絲建立了空氣加熱模塊，可以方便地改變環(huán)境溫度。編寫了基于Visual Basic的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)實(shí)時(shí)通信的軟件和制作了操作界面。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠很精確地測量空氣中聲速并作出聲速隨溫度變化的特性曲線。該實(shí)驗(yàn)已經(jīng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂和電子實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。

聲速測量；測溫電橋；單片機(jī)；二極管

聲波在各種介質(zhì)(固體、液體、氣體)中的傳播速度，是許多科研領(lǐng)域所研究的重要課題。例如天文學(xué)、航天學(xué)、生物學(xué)以及海洋學(xué)等等，都與聲的傳播速度密切相關(guān)[1]。通常情況下我們研究的是聲速在氣體、液體及固體3種介質(zhì)狀態(tài)下的傳播速度，上述的測量多數(shù)都是基于恒溫的條件或假定恒溫下進(jìn)行的。但聲速是隨溫度變化的，要精確測量聲速，必須研究聲波的傳播速度隨溫度變化的特性[2,3]。

測量聲速的方法通常有共振干涉、相位比較、時(shí)差法等3種[4]。其中時(shí)差法即為脈沖法，和其他兩種方法相比，最簡單直接。設(shè)聲波的傳輸距離為l，所用的時(shí)間為t，則聲速為

(1)

要測量空氣中聲速隨溫度變化的特性，必須較好地解決以下幾個問題：聲波如何發(fā)射和接收、采用何種溫度傳感器、系統(tǒng)溫度如何連續(xù)改變并保持穩(wěn)定等。本自制系統(tǒng)中，通過單片機(jī)驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出聲波，聲波出發(fā)和被反射片反射后，被單片機(jī)接收，從發(fā)射到接收的時(shí)間差由單片機(jī)記錄，這樣就可以計(jì)算出某一溫度對應(yīng)的聲速。溫度傳感器沒有采用市場上集成化的溫度傳感器，而是采用最普通的二極管 IN4148 作為溫度傳感器。利用二極管作為溫度傳感器，工業(yè)應(yīng)用上可行，實(shí)驗(yàn)成本比較低廉，同時(shí)也讓學(xué)生較好地理解二極管工作的物理原理和伏安特性曲線、溫變曲線。另外，系統(tǒng)如何保持穩(wěn)定性、可靠性以及系統(tǒng)的溫度如何連續(xù)改變是個非常重要的問題。本系統(tǒng)比較簡單而巧妙地解決了這個難題。聲波通過一段玻璃管的空氣傳播，玻璃管身均勻纏繞著電阻絲。用連續(xù)可調(diào)變壓器給電阻絲供電。電阻絲發(fā)熱后，把熱量傳遞到玻璃管內(nèi)的空氣。因此系統(tǒng)溫度可以連續(xù)改變，而且不易受到外界影響。本系統(tǒng)是在多年的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)基礎(chǔ)上，教師和學(xué)生合作，考慮到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，精心開發(fā)出來的。此系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂和電子實(shí)訓(xùn)工程中。

1 系統(tǒng)原理及組成裝置

圖1 聲速隨溫度變化測量系統(tǒng)的功能圖

系統(tǒng)總體組成裝置如圖 1 所示。加熱系統(tǒng)改變了環(huán)境溫度后，二極管作為溫度傳感器，把溫度變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸送到單片機(jī)。單片機(jī)采集到溫度數(shù)據(jù)后處理轉(zhuǎn)換，同時(shí)驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)出聲波；出發(fā)的聲波被麥克風(fēng)接收，觸發(fā)高速輸入接口，記下第一事件時(shí)間，聲波繼續(xù)傳播，被反射片反射回來，又被麥克風(fēng)接收，觸發(fā)高速輸入接口，記下第二事件時(shí)間，兩者之差即聲波傳播所用時(shí)間，根據(jù)玻璃管長度s(l=2*s)計(jì)算出該溫度對應(yīng)下的聲速。為了實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)和作出聲速隨溫度變化的曲線，還需要保持計(jì)算機(jī)與單片機(jī)實(shí)時(shí)通信。

2 基于單片機(jī)的聲波發(fā)射和接收

圖2 聲波的發(fā)射和接收電路

單片機(jī)采用16位的 80C196，與 C51 單片機(jī)相比，最明顯的特點(diǎn)是 MCS196 系列單片機(jī)具有高速輸入、高速輸出接口 HSI/O(High Speed Inputs and Outputs) 和自帶10位 A/D轉(zhuǎn)換器[5]。HSI用于記錄某一外部事件相對于時(shí)間基準(zhǔn)(如定時(shí)器1)的發(fā)生時(shí)刻。此功能部件在檢測到引腳上規(guī)定的跳變事件(包括正跳變、負(fù)跳變、每次正跳變、8個正跳變)后，將發(fā)生事件的類型與時(shí)刻記錄下來，并產(chǎn)生相關(guān)中斷。HSI可以在無須CPU干預(yù)的情況下，以2μs的分辨率識別從輸入引腳輸入的事件。HSO則用于按程序規(guī)定的時(shí)間去觸發(fā)某一事件(如置位/清零口線、啟動A/D轉(zhuǎn)換等)，要求CPU的耗電極小，速度極高。此部件便于實(shí)時(shí)輸出控制，可用來產(chǎn)生多種信號波形。因此用80C196來控制聲波的發(fā)射和接收非常合適。由于MCS196的部分引腳具有A/D轉(zhuǎn)換功能，因此把電壓等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量時(shí)，不需要外接A/D轉(zhuǎn)換芯片，電路簡單穩(wěn)定。如圖2所示，是單片機(jī)發(fā)射和接收聲波的部分電路。單片機(jī)通過HSO.0發(fā)射矩形聲波信號，該信號通過V1、V2兩個三極管放大電流后，驅(qū)動揚(yáng)聲器SK發(fā)聲。麥克風(fēng)MC接收到發(fā)出和反射回來的聲波信號后，電阻發(fā)生變化，導(dǎo)致電路電壓發(fā)生變化，經(jīng)過高速運(yùn)放CA3140所在的放大電路放大，輸入到單片機(jī)的HSI.0,HSI.0事件觸發(fā)單片機(jī)產(chǎn)生中斷讀取時(shí)間值并計(jì)算時(shí)間差。

3 測溫二極管以及測溫電橋電路

二極管在電子電路中大量地用于整流、檢波、箝位，但利用二極管正向壓降隨溫度升高而減小的特性制造溫度傳感器卻不十分普遍。而利用二極管特別是普通二極管作熱敏元件的傳感器是電子傳感器中最便宜的一種，它具有較好的線性和很快的響應(yīng)。根據(jù)半導(dǎo)體PN結(jié)的溫度特性，PN結(jié)上的電壓隨著溫度的上升而下降。溫度每上升1℃，硅管PN結(jié)上的電壓下降約2mV，鍺管約1.6mV，硅管的熱穩(wěn)定性優(yōu)于鍺管，故硅二極管和三極管可以用作熱傳感元件[6]。國內(nèi)已有學(xué)者對二極管作為熱敏元件在工業(yè)上的應(yīng)用做了大量的驗(yàn)證和推廣[7,8]。

圖3 測溫電橋電路

4 系統(tǒng)加熱裝置

如何給系統(tǒng)加熱并排除外界干擾是測量溫度時(shí)需要考慮的首要問題。原先在室內(nèi)通過空調(diào)改變室溫，但是溫度改變不易受到控制，而且很難排除外界干擾。把實(shí)驗(yàn)裝置放在恒溫爐里，溫度容易控制，但操作不方便，而且實(shí)驗(yàn)成本也很高。本系統(tǒng)采用一段1.2m長、直徑為5cm的玻璃管，玻璃管身均勻纏繞加熱電阻絲，通過連續(xù)改變供電電壓來改變玻璃管內(nèi)的空氣溫度。玻璃管一端放置揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)，另一端放置高反射率的金屬鉻片。為了盡可能精確測量溫度，測溫時(shí)用到兩個IN4148，將它們分別從玻璃管兩端伸入到玻璃管內(nèi)部中間，離管口大約10cm。每次改變電壓之前，都要盡量等到空氣分子熱運(yùn)動達(dá)到平衡。測量溫度時(shí)，取兩個二極管所測溫度的平均值。這樣才能確保測量的溫度和實(shí)際的環(huán)境溫度基本一致。加熱系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 電阻絲加熱模塊

5 數(shù)據(jù)處理與研究

就空氣介質(zhì)而言，聲波在空氣中的傳播速度與其自身頻率無關(guān)，只取決于空氣本身的性質(zhì)。影響聲速的主要因素是溫度。理論上兩者關(guān)系為[9]

(2)

式中，v0=331.45m/s，是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下干燥空氣中的聲速。t0=273.15K，t為測量時(shí)空氣的攝氏溫度。實(shí)驗(yàn)室測量到的溫度一般在0～100℃之間，為了便于計(jì)算，可以對式(2)進(jìn)行泰勒展開，取前兩項(xiàng)[10]，則

v=331.45+0.61(t℃)

(3)

在測量時(shí)需要將實(shí)際聲速值與理論值進(jìn)行比較。以40℃為例，v測=354.8m/s，而v理=354.88m/s，兩者非常接近。

為了實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，編寫了基于Visual Basic的計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通信的軟件以及制作了人機(jī)交互操作界面。點(diǎn)擊測試按鈕，計(jì)算機(jī)開始接收單片機(jī)發(fā)過來的溫度數(shù)據(jù)以及對應(yīng)的聲速。根據(jù)這些數(shù)據(jù)繪制聲速隨溫度變化的曲線。淺色曲線為理論曲線，黑色曲線為實(shí)際測量的曲線。先后進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，第一次緩慢而均勻地增加電源供電電壓，等玻璃管內(nèi)的空氣溫度接近100℃時(shí)，再緩慢而均勻地降低供電電壓。第二次快速地增加供電電壓，快速地降低供電電壓。兩次實(shí)驗(yàn)測得的聲速溫變曲線如圖5、6所示。升溫測量得到的曲線位于理論曲線的上方，降溫測量得到的曲線位于理論曲線的下方?？梢钥吹剑?dāng)供電電壓緩慢增加，即空氣溫度緩慢變化，測量得到的溫變曲線與理論曲線非常吻合，而當(dāng)空氣溫度劇烈變化，測量得到的溫變曲線與理論曲線偏離較遠(yuǎn)。究其原因，空氣是熱的不良導(dǎo)體，當(dāng)玻璃管加熱時(shí)，要經(jīng)過較長時(shí)間玻璃管內(nèi)的各個位置溫度才能趨于一致，這時(shí)二極管測量的溫度才能比較接近實(shí)際溫度。

圖5 溫度緩慢變化下的聲速溫變曲線

圖6 溫度劇烈變化下的聲速溫變曲線

6 結(jié)論

為了研究空氣中聲速隨溫度變化的規(guī)律，開發(fā)了基于80C196單片機(jī)的測量聲速的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以IN4148二極管為溫度傳感器，設(shè)計(jì)了測溫電橋電路。該系統(tǒng)巧妙地制作了一個加熱系統(tǒng)，能夠方便地改變環(huán)境溫度。該系統(tǒng)利用時(shí)差法，能夠比較精確地實(shí)時(shí)顯示聲速隨溫度變化的關(guān)系曲線，并與理論曲線相對比。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于電子工程認(rèn)知和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課堂。每學(xué)年參加工程認(rèn)知或?qū)嶒?yàn)的學(xué)生達(dá)到1000人次以上，用于電子工程實(shí)習(xí)是讓各專業(yè)的學(xué)生都對單片機(jī)技術(shù)有一定程度的認(rèn)識；用于物理實(shí)驗(yàn)可讓學(xué)生對聲傳播特性做深入研究。該項(xiàng)目的開設(shè)達(dá)到了預(yù)期教學(xué)目的，學(xué)生受益面也很大。

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A NEW SYSTEM OF MEASURING THE VELOCITY OF SOUND WITH RESPECT TO TEMPERATURE IN AIR

Feng Shengtong Yang Baolin Guo Liqun Wu Bo

(Engineering College, Beijing Institute of Petro-chemical Technology, Beijing 102617)

In order to study the characteristic of the velocity of sound with respect to temperature in air, a new system is developed to measure the velocity of sound based on 80C196 microcontroller. The velocity is calculated by time difference method. The acoustic wave is sent and received by microcontroller and simultaneously the time difference is recorded. An unbalanced Voltmeter bridge is designed to measure temperature using IN4148 diode as a temperature sensor. A air-heating unit is constructed to change the environment temperature easily by resistance wire wrapped around the glass tube. The real-time communication software between the computer and microcontroller is completed. And an operation interface is built. The experiment results show that the new system can precisely measure the sound velocity in air and acquire the real-time curve of relationship between sound velocity and temperature. The system is applied to college physical experiment and electronic training project.

acoustic velocity measurement; voltmeter bridge for measuring temperature; microcontroller; diode

2015-11-20；

2016-04-20

該論文受到北京教委面上項(xiàng)目：KM20140017008、校內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目編號：ZD2011005以及大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(2014J00058)的資助。

馮升同，男，實(shí)驗(yàn)師，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和電子電工實(shí)訓(xùn)教學(xué)，fengshengtong@bipt.edu.cn。

吳波，男，教授，北京教學(xué)名師，研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程，wubo@bipt.edu.cn。

馮升同，楊寶林，郭立群，等. 一個新的測量空氣中聲速溫變系統(tǒng)[J]. 物理與工程，2017，27(1)：50-54.