全自動相位差法聲速測量裝置的研制與探討

石明吉，宋金璠，郭新峰

(南陽理工學院 電子與電氣工程學院,河南 南陽 473004)

聲波是在彈性媒質中傳播的縱波，隨著超聲學研究的迅速發展，聲學檢測在實際應用中已越來越廣泛，對超聲波傳播速度的測量在超聲波測距、無損檢測、定位、測量氣體溫度瞬間變化等方面具有重大意義[1]. 超聲波具有波長短、可定向的優點，因此，常被用作測量聲速[2]. 目前，大學物理實驗中的聲速測量方法主要有2種：駐波法(也叫共振干涉法)和相位比較法[3]. 相位比較法因為準確度高而應用更加普遍，傳統的相位比較法聲速測量需要尋找李薩如圖形為直線的位置，通常的做法是用連接示波器的聲波接收器在被測區域內逐處測量，一邊移動聲波接收器一邊觀察示波器，當示波器顯示一三象限或二四象限直線時，停止移動聲波接收器，將該點的位置讀數記錄下來. 然后重復上述操作，直到找到8～12個目標位置. 在尋點過程中，因為相位差沒有數字化，只能用眼睛觀察，不容易找準一三象限或二四象限直線的位置. 如果聲波接收器反向移動，就會存在回程差，所以尋點效率特別低[4-5]. 為改進相位比較法的缺陷，讓相位比較法成為既簡單又準確的聲速測量方法，筆者研制了全自動相位差聲速測量裝置. 利用AD8302模塊實現了相位差的數字化[6]；利用單片機、步進電機、步進電機驅動器，采集卡和上位機提高了測量的效率和測量的精度，消除了回程差的影響.

1 相位比較法測量空氣中聲速的原理

按照波動理論，在聲波的傳播方向上的任何兩點，如果振動狀態相同或者其相位差是2π的整數倍，這兩點間的距離就是波長的整數倍. 實驗采用圖1所示實驗裝置. 從聲波發射器S1發出的超聲波通過空氣到達聲波接收器S2，在發射波和接收波之間產生相位差為

φ=2πl/λ.

(1)

式中，l是聲波發射器與聲波接收器之間的距離，λ是波長. 可見，若要使相位差改變2π，那么聲波發射器與聲波接收器之間的距離l就要相應地改變λ. 沿聲波傳播方向移動接收器時，總可以找到某位置使得接收到的信號與發射器的激勵電信號同相位(相位差是2π的整數倍). 繼續移動接收器，直到找到的信號再次與發射器的激勵信號同相位時，移過的這段距離就等于聲波的波長λ. 由信號發生器可讀出頻率f，即可算出聲速v=λf，這種方法就是相位比較法[7].

圖1 相位比較法測量聲速裝置示意圖

2 整體設計

全自動相位差法聲速測量裝置由數據采集系統、聲波接收器移動系統和上位機3部分構成，如圖2所示. 數據采集系統由聲波接收器、AD8302模塊、數據采集卡、待測聲波場、電源1(給AD8302模塊供電)和電源2(給采集卡和步進電機驅動器供電)組成. 聲波發射器固定到絲杠導軌的固定塊上，聲波發生器與信號發生器的輸出端相連. 待測聲波場的媒質是空氣. 聲波接收器移動系統由STC89C52單片機、步進電機驅動器、步進電機、絲杠導軌(加載有聲波接收器)和電源2構成. 聲波接收器利用接收器支架鎖定在絲杠的滑塊上. 聲波接收器要插入并鎖定在接收器支架上，聲波接收器端面的法線方向要與絲杠的軸向剛好平行；聲波接收器的高度與聲波發生器的高度要相同. 將信號發生器產生的激勵信號和接收器接收的信號分別接到AD8302模塊的INPA和INPB，由AD8302模塊的PHASE端輸出與兩信號相位差成反比的電壓信號. 上位機控制系統利用C語言編程，通過步進電機驅動器控制步進電機的轉動，利用步進電機帶動絲杠導軌運動，從而實現聲波接收器的運動；通過數據采集卡獲得AD8302輸出的電壓數據，利用軟件畫圖，給出相位差變化與接收器位置的關系圖，并保存數據和圖片.

圖2 全自動相位差法聲速測量裝置的結構框圖

3 實驗結果與分析

實驗時溫度為15 ℃，諧振頻率為38.61 kHz，設定數據的采集周期為300 ms，數據點為4 000個. 利用步進電機驅動器的細分功能，將步進電機的步距角設為0.9°，絲桿的導程為4 mm，因此步進電機每走一步，聲波接收器移動0.01 mm. 測試開始前，發射器與接收器之間的距離約為4 cm；測試過程中，二者逐漸遠離. 將全自動相位差法聲速測量裝置生成的Excel數據用Origin軟件處理，可得到AD8302輸出的電壓變化與聲波接收器位置的關系，如圖3所示.

圖3 AD8302輸出電壓隨接收器位置的變化

v=λf=343.63 m/s.

(2)

已知聲速在標準大氣壓下與傳播介質空氣的溫度關系為[8]

vs=331.45+0.59t.

(3)

此外，圖3中后3個峰兩端出現了伴峰，尤其是第5個峰的兩側，伴峰非常明顯.

4 結束語

全自動相位差法聲速測量裝置利用AD8302模塊實現了相位差測量的數字化；利用單片機、步進電機，步進電機驅動器和滾珠絲杠實現了聲波接收器運動的自動化；利用上位機和采集卡實現了數據采集的自動化. 在提高測量精度的同時，消除了回程誤差，提高了數據采集的效率. 采集實驗數據的同時，上位機實時繪出相位差變化與接收器位置關系圖. 本裝置原理簡單、成本低廉、容易操作、效果直觀.

[1] 謝春香，張禹濤，黃篤之. 非簡諧波對聲速測量的影響[J]. 湖南科技大學學報(自然科學版)， 2013，28(1):120-123.

[2] 孫金林，王國余，胡方圓． 數字化智能聲速測量系統設計[J]. 傳感器與微系統，2015，34(10)：114-117,127．

[3] 楊志云． 駐波法與相位比較法測聲速實驗探討[J]. 產業與科技論壇,2011,10(7)：86-87.

[4] 劉石劬． 聲速測量及不確定度分析[J]. 大學物理實驗， 2013，26(4)：99-103.

[5] 張俊玲． 駐波法測量聲速實驗的系統誤差分析[J]. 大學物理實驗，2012，25(5)：81-83.

[6] 花添雨，封維忠，孫成忠. 基于AD8302的相位差法測聲速[J]. 物理實驗，2017，37(8)：11-13.

[7] 陳蘭莉. 大學物理實驗[M]. 上海：上海交通大學出版社，2013:245-250.

[8] 張續文,李萬金. 計算機輔助測量聲速的設計研究[J]. 六盤水師范學院學報,2013,25(2):81-85.