大学物理超声波声速测量实验的拓展

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大学物理超声波声速测量实验的拓展

时间:2015-07-03 来源:未知 作者:华夏论文网 本文字数:2347字 摘要

  超声波广泛应用于工业、农业、国防、生物医学和科学研究等各个领域[1 -3],通过对超声波声速的测量,可以进行超声波测距和定位、测量气体温度瞬间变化及探伤等[4 -9].在大学物理实验中,超声波声速测量实验一般是利用共振干涉法和相位比较法测量声速[10 -13],实验过程借助示波器观察驻波和李萨如图形。在教学中发现,学生在实验过程中对示波器的使用不熟练,操作时显得盲目和无措,很多情况下需要教师指导才能调出信号,甚至有时会把教师指导所调出的信号再次调节消失。此外,谐振频率调节这一环节往往会遗漏。示波器的使用尽管是大学物理实验的重要教学内容之一,但学生仅利用对示波器所开设的 3 个课时的学习很难熟练掌握该仪器的使用与调试,常常在后续的实验中遇到使用示波器的情况下还是无从下手。针对这一教学情况,加强示波器学习训练显得很有必要。

  超声波声速测量实验就是一个很好的加强学生学习示波器操作的契机,可充分利用该实验的仪器装备及实验过程加强学生对示波器的使用练习。

  1 拓展内容

  在超声波声速测量实验中,声压信号通过压电陶瓷换能器转换为电压信号,然后在示波器上显示出来。声速测量实验中不需要对电压信号的幅值进行测量,只需观察和记录幅值最大处接收压电陶瓷换能器的位置坐标,且信号的频率是通过信号源读取的,因此,可在原有实验内容基础上增加电压幅值及信号频率的测量。

  1. 1 示波器的校准

  为了精确测量压电陶瓷换能器接收到的信号的幅值,首先需要对示波器进行校准。把示波器( CS- 4125) 自带的方波校准信号( Vp - p= 2V,1kHz) 输入到示波器的第一个通道( CH1) ,把 “y 轴灵敏度”和 “时间轴灵敏度”分别调到 “0. 5 V/div”和 “1ms/div”位置,调节微调旋钮使得方波垂直幅值( Vp - p) 占 4 个方格,水平轴 10 个方格内显示10 个完整周期的方波,然后把方波校准信号输入到示波器的第二个通道( CH2) ,用同样的方法校准示波器的第二个通道,即完成了示波器校准。

  1. 2 电压信号随距离衰减的测量

  将 SV5 型声速测量专用信号源的发射 S1 和SV6 声速测量组合仪发射 S1 利用卡口线连接;SV6 声速测量组合仪接收 S2 与 CS - 4125 型示波器CH2 通道连接; 旋转 SV6 声速测量组合仪鼓轮改变接收压电陶瓷换能器位置,使示波器 CH2 通道接收信号出现极大值,然后调节信号源频率调节旋钮,使示波器 CH2 通道接收信号振幅最大,此时的信号源频率为谐振频率( 37kHz 附近) .改变接收压电陶瓷换能器位置,每间隔 3 个振幅最大值记录一次接收压电陶瓷换能器的位置 x,同时记录最大的振幅值所占的垂直格数 n,利用示波器 y 轴灵敏度计算对应的电压峰峰值 U,得到一组峰峰值电压U 和传播距离 x 的数据,利用 Origin 软件将这些数据画出如图 1 所示的关系图。

  通过对图 1 数据的测量与处理,不仅可训练学生对电压信号的多次测量,还可让学生观察接收信号幅值随发射源距离的变化而发生衰减的现象; 同时,也了解了非电信号通过传感器转换为电信号的示波器测量,数据分析与处理过程还锻炼了学生利用 Origin 等软件作图的能力。

  1. 3 电压信号随频率变化的测量

  将 SV5 型声速测量专用信号源的发射 S1 与校准过的示波器第一个通道( CH1) 利用卡口线连接,示波器的第二个通道( CH2) 与 SV6 声速测量组合仪接收 S2 连接,示波器双通道模式显示专用信号源的电压信号和压电陶瓷换能器接收到的驻波信号。如前所述,调节专用信号源的频率达到谐振,使示波器第二个通道( CH2) 接收到的信号幅值最大。以接收信号振幅最大时信号源频率为中心频率,改变 SV5 型声速测量专用信号源的频率,观察并记录专用信号源显示的频率 f0,测量示波器第二个通道( CH2) 显示的电压信号幅值 U 与频率 f,比较 f0与 f 的差别,并利用 Origin 做出电压 U 随频率 f 变化的图,如图 2 所示。

  通过图 2 数据的测量与分析,可锻炼学生对电压、周期及频率的测量,巩固谐振知识,并把测量的信号频率与信号源显示的频率进行比较,分析误差大小及产生原因。

  2 结束语

  通过拓展超声波声速测量实验内容,加强了学生对示波器使用的训练,加深了学生对实验现象的观察和对知识的理解,提高了动手能力。

  参 考 文 献

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