超聲波專題設計性實驗

馮軍勤，吳福根，鐘會林

（廣東工業大學 實驗教學部，廣東 廣州510006）

1 引 言

大學物理實驗是工科類專業對學生進行科學實驗訓練的重要基礎，是培養學生科學實驗能力和創新精神的重要的實踐性課程．大學物理實驗課程在內容設置上涵蓋力、熱、光、電、聲、磁等多個學科，但這些實驗內容多數為基礎性實驗，綜合性、設計性實驗偏少．鑒于這種情況，可以嘗試開設專題設計性實驗［1］，在現有的實驗設備基礎之上，開設出新的設計性實驗內容，讓學生在原有實驗基礎之上，有所創新．

超聲波在日常生活中應用極為廣泛，比如超聲波測距、無損檢測等．而在大學物理實驗中，聲學實驗題目較少，一般大學物理實驗聲學部分只開設了超聲波在空氣中的傳播速度測定，而這個原理比較簡單，操作相對容易，導致實驗內容在固定的課時內不飽滿［2］；鑒于以上原因，在使用儀器不變的情況下，將超聲波實驗改造為專題設計性實驗［3－4］，在測量超聲波在空氣中傳播速度的基礎之上，分別增加了一些不設預案的設計性實驗內容，測量超聲信號源頻率與接收壓電換能器接收信號振幅之間的關系，有助于學生理解共振頻率的概念；測量超聲波在水中的傳播速度以及超聲波在空氣中的損耗系數等實驗內容；實驗報告的撰寫和數據處理要求學生使用Matlab計算機輔助技術完成［5－6］．通過超聲波專題設計性實驗可以發揮學生的主體意識和主動性［7］，調動和挖掘學生的內在潛力，使得學生主動地學習，積極地參與知識獲取的過程，通過自己的主動探索、親身實踐，培養學生的創新意識和能力［8］．

2 測量壓電換能器的共振頻率

在測量超聲波在介質中傳播速度時，需要調整超聲信號源頻率，使得接收壓電換能器的接收信號振幅達到最大，這個頻率就是壓電換能器的固有頻率；當超聲信號源的頻率和壓電換能器的固有頻率相同時，此時接收信號振幅最大，達到共振，有時也稱之為共振頻率．但是在實驗過程中，部分學生對共振頻率理解不透，所以可以增加測量接收壓電換能器接收信號振幅和超聲信號源頻率之間的關系．實驗布局如圖1所示．

圖1 實驗裝置圖

為了精確測量壓電換能器接收信號振幅，首先要校準示波器，利用示波器自帶的標準方波信號輸入到CS－4125型示波器CH2，把“y軸靈敏度”和“時間軸靈敏度”分別調到“0．2 V／div”和“1 ms／div”位置，調節微調旋鈕使得方波垂直幅值（Vp－p）占了5 div，水平軸上顯示10個完整周期的方波，就可以完成示波器校準．其次，將SV5型聲速測量專用信號源的發射S1和SV6聲速測量組合儀發射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；調節信號源頻率調節旋鈕，使得示波器CH2通道接收信號振幅最大．最后，以接收信號振幅最大時信號源頻率為中心頻率，以10 Hz為步長，分別增大和減小信號源頻率可以測得1組頻率和接收壓電換能器接收信號振幅之間的關系，如圖2所示．

圖2 接收信號振幅與超聲信號源頻率之間的關系

通過這部分實驗內容，學生可以掌握示波器的校準以及利用示波器測量信號電壓幅值，加深理解共振頻率的概念．

3 測量超聲波在空氣中的損耗系數

發射壓電換能器被超聲信號源的電信號激勵后由于逆壓電效應發生受迫振動，振動頻率與電信號激勵頻率相同，并向周圍空氣定向發出一近似平面波．接收壓電換能器受迫振動后產生壓電效應輸出電信號，電信號的頻率與超聲波的振動頻率相同．當發射換能器和接收換能器2個端面互相平行時，超聲波和回波在2個端面之間產生干涉，形成駐波．駐波的振幅可以表示為［2］

其中：α超聲波在空氣介質中的損耗系數，R為接收換能器的反射系數，xi為超聲波傳播的距離，Ai為反射點回波振幅，A0為超聲波發射波振幅，在實驗過程中，使用示波器觀察和測量振幅，振幅的幅度大小可以用幅度電壓來表示．（1）式就可以寫為［2］

根據（2）式，首先將SV5型聲速測量專用信號源的發射信號輸入示波器測量幅度電壓U0，測得U0＝3．3 V；采用超聲波頻率為f1＝37 196 Hz；然后，旋轉SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電換能位置，測量每次振幅最大時的移動距離xi，同時記錄最大的振幅值Ui，測到1組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數據，如表1所示；根據最小二乘法就可以得到損耗系數．

表1 幅度電壓Ui和傳播距離x i的數據

根據最小二乘法就可以得到損耗系數為0．020 60．選擇不同超聲波頻率，將發射器信號輸入示波器測量幅度電壓U0，測得U0＝3．3 V；改變超聲波頻率為f2＝37 296 Hz；測到1組幅度電壓Ui和傳播距離xi的數據．調整發射器輸出強度，測得信號輸入示波器的幅度電壓U0＝5．8 V，取超聲波的頻率分別為f3＝36 941 Hz，f4＝37 100 Hz，f5＝37 208 Hz，測量多組幅度電壓Ui和傳播距離xi，根據（2）式，就可以得到ln（Ui／U0）和傳播距離xi之間的關系曲線，如圖3所示．用最小二乘法處理數據就得到其損耗系數 分 別 為 ：α2＝0．019 05，α3＝0．019 97，α4＝0．019 05，α5＝0．019 98．根據（2）式，可以得到幅度電壓Ui和傳播距離xi之間的關系曲線，如圖4所示．

圖3 ln（U i／U 0）和傳播距離xi的之間的關系

圖4 幅度電壓U i和傳播距離x i之間的關系

4 測量超聲波在水中的傳播速度

測量超聲波在水中的傳播速度，在測量過程中，由于共振干涉法形成的駐波波腹處振幅隨著傳播距離的變化不是很明顯，接收壓電換能器的信號由于水的波動而波動，所以采用相位比較法測量在水中的傳播速度．溫度為t＝25℃，超聲信號源頻率為37 320 Hz，先將SV5型聲速測量專用信號源的發射S1和SV6聲速測量組合儀發射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，SV5型聲速測量專用信號源的發射波形和示波器CH1通道連接；示波器時間靈敏度旋轉到X－Y擋位；旋轉SV6聲速測量組合儀鼓輪改變接收壓電換能位置，根據李薩如圖判斷2個信號之間的相位差；測量的數據如表2所示．

表2 測量超聲波在水中的傳播速度的數據

采用逐差法處理數據，可以計算出在水中傳播的波長λ＝39．77mm，根據傳播速度、頻率和

5 結束語

波長之間的關系就可以計算出超聲波在水中的傳播速度為

在測量超聲波在空氣中傳播速度實驗基礎之上，開設了超聲波專題設計性實驗，分別增加了不設預案的實驗內容，測量壓電換能器的共振頻率、超聲波在空氣中的損耗系數、超聲波在水中的傳播速度等實驗內容；在數據處理方面分別使用了最小二乘法和逐差法；在實驗報告撰寫方面要求學生利用計算機輔助作圖技術完成作圖要求，作圖軟件分別使用了Excel，Matlab，Origin；實驗完成以后學生對自己的實驗結果做了分析和評估，并分析了誤差來源．通過這個實驗不僅豐富大學物理聲學實驗，而且開拓了學生的視野，實驗過程中培養了學生勤于思索、勇于實踐的科學精神，提高了學生分析問題解決問題的能力．

［1］ 蘇學軍，張立春，張勇．設計性實驗在“大學物理實驗”課程中的設置與評價［J］．實驗技術與管理，2010，27（5）：137－139．

［2］ 房曉勇．聲學實驗及部分聲學量的測量［J］．物理實驗，2001，22（1）：8－10．

［3］ 牛原，趙中齡，騰永平，等．超聲波專題實驗的設計與教學［J］．大學物理實驗，2007，20（3）：43－46．

［4］ 王開圣，趙志敏，劉小廷．聲速測量實驗原理討論［J］．物理實驗，2010，30（3）：25－28．

［5］ 陳思佳，張文霞，楊啟鳳，等．線性回歸法和 Matlab在復擺測重力加速度實驗中的應用［J］．物理實驗，2009，29（3）：44－46．

［6］ 蒙成舉，蘇安．大學物理實驗數據處理中引入Matlab的重要性探析［J］．河池學院學報，2009，29（增）：103－105．

［7］ 劉燕，周嵐，胡經國．大學物理實驗教學改革的探索與實踐［J］．實驗室研究與探索，2009，28（11）：171－172．

［8］ 張增明，孫臘珍，霍劍青，等．創新研究型物理實驗教學平臺的建設與實踐［J］．物理實驗，2009，29（7）：14－17．