Matlab軟件輔助聲速測量實驗教學(xué)

陶苗苗

摘? 要：為了在實驗教學(xué)中更直觀地解釋聲速測量實驗的實驗原理，本文結(jié)合matlab軟件仿真實驗。本文首先介紹相位比較法的基本原理，然后通過matlab軟件實現(xiàn)對實驗現(xiàn)象的動態(tài)模擬，并分析仿真結(jié)果。仿真結(jié)果直觀、形象，輔助實驗教學(xué)有很好的效果。

關(guān)鍵詞：Matlab軟件;聲速測量;實驗教學(xué)

大學(xué)物理實驗中，聲速測量實驗普遍采用共振干涉法和相位比較法，這兩種方法利用聲波的波動特性間接測量聲速，實驗中利用示波器觀察圖形的變化情況[1] 。課上講解實驗原理，由于不夠直觀，學(xué)生往往很難理解;如果用儀器演示，雖形象，但是實驗時學(xué)生照做，又達(dá)不到鍛煉學(xué)生的目的。不能很好地理解實驗原理，則達(dá)不到實驗教學(xué)的效果。

利用合適的軟件，既可以形象直觀地模擬實驗項目，又可以加深學(xué)生的認(rèn)識和理解，還可以激發(fā)學(xué)生的積極性。Matlab有強(qiáng)大的數(shù)值計算能力和模擬仿真功能，利用matlab軟件演示聲速測量實驗，可幫助學(xué)生更好地理解實驗原理。

1 實驗原理

如實驗裝置圖1所示，S1處發(fā)出的超聲波被S2接收并反射，S2處振動相位隨時間變化，但是該處相位與S1處的相位差 并不隨時間變化。把S1、S2的信號分別接到示波器的X軸、Y軸，形成穩(wěn)定的李薩如圖形。李薩如圖形相鄰兩次傾斜直線的相位變化是 ，對應(yīng)的換能器間距變化是半個波長。因此測出兩個傾斜直線對應(yīng)的換能器間距L2，可算出聲速： 。

2 Matlab仿真實驗

在matlab主界面輸入guide，彈出GUI設(shè)計面板，選擇空白頁面，輸入名稱并保存，分別在面板上放置需要的控件。

在圖形面板中，單擊鼠標(biāo)右鍵生成M文件，在該文件中編程。自動生成的主子函數(shù)為function varargout= shilie1（varargin），其中varargin為輸入的消息參數(shù)。程序中，設(shè)置入射波、反射波的頻率均是1，振幅均是10，波長為100。主要控件的回調(diào)函數(shù)如下：

①滑動條控件回調(diào)函數(shù)：

function slider_x_Callback（hObject，eventdata，handles）

set（handles.edit_x，'String'，get（hObject，'Value'））;

x=get（hObject，'Value'）;

f1=str2double（get（handles.edit_tf，'String'））;

f2=str2double（get（handles.edit_if，'String'））;

a1=str2double（get（handles.edit_ta，'String'））;

a2=str2double（get（handles.edit_ia，'String'））;

t=0：0.005：4;

y0=a1*cos（2*pi*f1*t）;

y1=a1*cos（2*pi*f1*t-2*pi*x/100）;

y2=a2*cos（2*pi*f2*t+2*pi*x/100）;

axes（handles.axes_trin）;%圖2

plot（t，y1，'r'）;hold on;

plot（t，y2）;hold off;grid on;

axes（handles.axes_lis）;

plot（y0，y2）;grid on;

②自動運(yùn)行按鈕的回調(diào)函數(shù)：

function auto-button_Callback（hObject，eventdata，handles）

for i=0：100

set（handles.slider_x，'Value'，i）;

slider_x_Callback（handles.slider_x，eventdata，handles）

pause（0.3）;

end

3 結(jié)果說明

相位比較法程序運(yùn)行結(jié)果如圖6所示，移動滑塊從0到50，得到一系列形狀不同的李薩如圖形。6a、6e是兩個相鄰的傾斜直線，對應(yīng)的換能器間距就是半個波長。在界面上，也可以點(diǎn)擊自動運(yùn)行按鈕、暫停按鈕和繼續(xù)按鈕，觀察整個變化過程或者逐步觀察現(xiàn)象。還可以改變?nèi)肷漕l率、反射頻率、入射振幅、反射振幅等參數(shù)觀察。

4 結(jié)論

本文結(jié)合matlab軟件仿真聲速測量實驗，可動態(tài)實現(xiàn)整個實驗過程，形象直觀地解釋實驗原理，便于學(xué)生理解實驗，也激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考實驗思路和實驗步驟。對實驗教學(xué)有很好的輔助作用。

參考文獻(xiàn)

[1]董正超，方靖淮，朱兆青，凌邦國.大學(xué)物理實驗[M].蘇州：蘇州大學(xué)出版社，2011，56-60.

基金項目：本文系江蘇省現(xiàn)代教育技術(shù)研究2018年度課題，課題名稱：基于雨課堂與虛擬儀器開展數(shù)電實驗課教學(xué)的應(yīng)用研究，課題編號：2018-R-59685研究成果之一。