趙福海，羅浩，向澤英

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超聲波速度測量實驗中常見問題及解決方案＊

趙福海，羅浩，向澤英

（西南科技大學，四川 綿陽 621010）

基于超聲波速度測量實驗，從駐波法和相位比較法兩種測量波長的途徑著手，歸納了多種實驗中常見問題，分析了其成因，并給出了解決方案，可以供理工科學校師生參考。

聲速測量；駐波法；相位比較法；解決方案

超聲波速度的測量作為一個經(jīng)典物理實驗，大多數(shù)理工科類高校均已開設。聲速測量可以檢測介質(zhì)的特性，也可以用來檢測介質(zhì)狀態(tài)的變化，加上超聲波具有波長短、易于定向發(fā)射等特點，聲速測量被普遍用于測距、測介質(zhì)濃度和比重、區(qū)分油品分層等不同領域。在本科實驗中，由于聲波包含頻率、聲速、聲壓等多個物理量，同時涉及到換能器、信號源、示波器等儀器，各類影響因素和不便預測的狀況特別多，導致學生在實際應用時出現(xiàn)諸多困難。

1 實驗原理

1.1 駐波法測量波長λ

由聲源S1發(fā)出的聲波，經(jīng)介質(zhì)傳播到S2，S2在接收聲波信號的同時反射部分聲波信號。如果接收面S2與發(fā)射面S1嚴格平行，入射波即在接收面上垂直反射，入射波與反射波發(fā)生干涉形成駐波。反射面處是位移的波節(jié)，聲壓的波腹。改變接收器與發(fā)射源之間的距離，在一系列特定的距離上，空氣中出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波現(xiàn)象，此時發(fā)射端到接收端距離等于半波長的整數(shù)倍，駐波的幅度達到極大。同時，在接收面上的聲壓波腹也相應地達到極大值。

通過壓電轉換，產(chǎn)生的電信號顯示在示波器上的波形的幅值最大。因此，如果保持頻率不變，通過測量相鄰兩次接收信號達到極大值時接收面之間的距離，即可得到該波的波長，并用=·計算出聲速[1]。

1.2 相位比較法測量波長

聲源S1發(fā)出聲波后，在其周圍形成聲場，聲場在介質(zhì)中任一點的振動相位是隨時間而變化的，但它和聲源振動的位相差Δ不隨時間變化。超聲波是振動狀態(tài)的傳播，沿傳播方向上的任何兩點，振動狀態(tài)相同的兩相鄰點間的相位差為2π，距離等于波長.由此可采用李薩茹圖形的相位比較法測量波長，具體如圖1所示。

2 常見問題及解決措施

2.1 正弦波和李薩如圖形信號失真

在調(diào)節(jié)正弦波波形和發(fā)射端與反射端超聲波疊加的李薩如圖形的時候，遇到如圖2、圖3所示圖形失真的情況，對于學生辨別信號極大值和李薩如圖形同一相位狀態(tài)產(chǎn)生了困難，出現(xiàn)這種問題的原因是信號發(fā)生器上，正弦電信號的初始狀態(tài)未調(diào)節(jié)好[2]。

解決辦法：適當調(diào)節(jié)信號源上的接受增益和連續(xù)波強度兩個旋鈕，如圖4所示，直至信號正常為止。要注意的是，在信號不失真的前提下，為使信號更強，這兩個旋鈕的值應盡量調(diào)大一些。

圖1 fy∶fx=1∶1時李薩如圖形變化規(guī)律

2.2 數(shù)據(jù)周期性不符合理論規(guī)律

理論上，采用駐波法測出接收端波形極大值的坐標之間的間隔為半波長，采用相位比較法測出圖形相同的狀態(tài)的坐標間隔為波長。但在實際實驗中，經(jīng)常有學生測出的數(shù)據(jù)違背了這個原理。其原因在于將發(fā)射端和接受端的距離調(diào)節(jié)得過小或過大，如圖5所示。當距離小于一個波長時，由于其他物理效應的產(chǎn)生，導致實驗結果出錯。當距離過大時，由于儀器自身的誤差，比如發(fā)射端與接收端端面不平行或者不同軸等誤差，致使超聲波無法很好地在兩端面間發(fā)生來回反射疊加而導致數(shù)據(jù)出錯[3]。

解決辦法：距離10 mm左右，將接收端向遠離發(fā)射端的方向測量數(shù)據(jù)會得到較為理想的實驗結果。

圖2 失真的正弦波形

圖3 失真的李薩如圖形

圖4 聲速測量儀信號源

圖5 聲速測量儀

2.3 接收端始終無信號或者信號極弱

學生在實驗中，按照正確的方法連線并操作示波器，但經(jīng)常出現(xiàn)接收端始終無信號或者信號極弱的情況，如圖6所示。出現(xiàn)這種情況主要有三個原因：①信號頻率與超聲換能器的固有頻率相距太大，致使聲波損耗過大，接收端接收到的振動太弱[4]；②由于接收端的初始位置是隨機的，由于湊巧接收端恰好處于位移的波腹即聲壓的波節(jié)處，此處聲壓特別小，即使示波器的增益檔調(diào)到最大檔位，仍然無法得到較大的正弦波信號；③信號源上的初始連續(xù)波強度和接收增益取值過小，致使信號太弱[5]。

解決辦法：從儀器參數(shù)上找到超聲換能器的固有頻率參考值，將信號源的頻率調(diào)節(jié)到固有頻率附近，將連續(xù)波強度和接受增益調(diào)至最強，之后再開始調(diào)節(jié)。如果仍然沒有解決，則旋轉調(diào)節(jié)手輪，將接收端改變到另外一個位置，再在示波器上調(diào)節(jié)，基本可解決這類問題。

圖6 接收端無信號或者信號極弱

3 結語

聲速測量實驗主要是讓學生學習用駐波法和相位比較法測量超聲波的速度，加深對示波器、信號發(fā)生器使用知識的掌握，涉及到共振、駐波法、相位比較法等多個主要知識點，實驗難點在于綜合使用儀器的能力，實驗具有趣味性強、實用性強、綜合性強等特點。學生在實驗中，只有充分理解實驗原理、儀器構造，信號傳輸及變化規(guī)律，在實驗中積極動腦、專注觀察現(xiàn)象、冷靜分析問題，才能得到最好的鍛煉效果。

［1］周自剛，趙福海.新編大學物理實驗［M］.第2版.北京：科學出版社，2012.

［2］陳潔，蘇建新.聲速測量實驗有關問題的研究［J］.物理實驗，2008（6）.

［3］孫航賓，黃篤之. 張禹濤聲速測量實驗假象的探討［J］.大學物理實驗，2018（8）.

［4］宋子午，王茂香. 聲速測量實驗中反常現(xiàn)象的觀察與分析［J］.大學物理，2018（11）.

［5］楊建偉，于軻鑫，鄭宇彤，等.聲速測量實驗中入射波幅值變化的研究［J］.大學物理實驗，2018（10）.

羅浩（1979—），西南科技大學物理基礎課實驗教學示范中心主任，主要從事大學物理實驗的管理和教學教改工作。

西南科技大學校級教育教學研究與改革項目（編號：17XN0095）；西南科技大學龍山學術人才科研支持計劃“研究專項”（編號：17LZXY18，18LZXY06）

2095－6835（2019）07－0120－02

O422.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.120

〔編輯：王霞〕