一种测量不同温度下液体声速的实验装置

1、一种测量不同温度下液体声速的实验装置摘要：目前测量液体声速的实验装置一般通过摇动手柄转动 精密丝杆导轨移动装置，从而改变超声波换能器之间的距离，操作 过程比较繁琐，容易产生空程误差；且采用示波 器来观察信号，连 线复杂，操作麻烦，容易出错；一般只能测室温下液体声速。为了 克服上述不足，提出一种改进的实 验装置，可以测量不同温度下液 体声速。通过直线电机改变 换能器之间的距离，可以避免空程误 差，操作过程简单。该装置可直接测量并显示超声波接收换能器接 收到的声波信号转换成的电压信号，直观方便。关键词：声速；超声波换能器；实验装置；直线电机中图分类号：TN011?34； G420文献标识码：A文章

2、 编号：1004?373X（ 2016）11?0141?03Abstract : Since the current experimental deviceformeasuring the liquid sound velocity generally uses the slideway movement device of precision screw rod shaken by the handle to change the distance between the ultrasonic transducers ， it has tedious operational process

3、and is prone to generate idle stroke error. The oscilloscope is used to observe the signal ， which has complex wired line and troublesome operation ， and is easy to make mistakes. The current experimental device only can measure the liquid sound velocity at room temperature. In order to overcome the

4、 above disadvantages ， an improved experimental device is put forward ， which can measure the liquid sound velocity at different temperatures. The linear motor used to change the distance between the transducers can avoid the idle stroke error ， and has simple operational process. The device can dir

5、ectly measure and display the acoustic signal received by the ultrasonic receiving transducer and then convert the acoustic signal into voltage signal. The device is intuitive and convenient.Keywords： sound velocity ； ultrasonic transducer ； experimental device ； linear motor0引言声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵

6、波， 其 振动方向与传播方向一致。振动状态的传播是通过媒质各点间 的弹性力来实现的，因此波速取决于媒质的状态和性质（密度和弹 性模量）。液体和固体的弹性模量与密度的比值一般比气体大， 因而其中的声速也比较大。声波在媒质中的传播速度与媒质的特性 及状态等因素有关，因而通过媒质中声速的测试，可以了解媒质的 特性及状态变化。例如，测量氯气、蔗糖等气体或溶液的浓度、氯 丁橡胶乳液的比重以及 输油管中不同油品的分界面等等，这些问题 都可以通过测试 这些物质中的声速来解决。可见声速测试在工业生 产上具有一定的实用意义。由于在声波传播过程中波速波长与频率之间存在着的关系， 若能同时测出媒质中声波传播的频率及

7、波长即可求得此种媒质中声 波的传播速度由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，故在 超声波段进行声速测试比较方便。同时，由于频率在超声波范围内，一般的音频对它没有干扰。频率提高， 波长就短，故在不长的距离内可测到许多个取其平均值，的测定就 较准确。声速的测定是物理实验中一个常见的实验项目。测量声速的 方法很多，大学物理实验中一般采用驻波法或相位比较 法。现在的 实验装置一般采用压电陶瓷超声换能器来实现声压和电压的转换， 具有平面性、单色性好以及方向性强等特点。通常选用频率特性大 致形同的两只压电陶瓷超声换能器，一只作发射用，另一只作接收 用。压电换能器有一谐振频率，当外加信号的频率等于系统的

8、谐振 频率时，压电换能器产生机械谐振，这时灵敏度最高。如果把超声 波发射换能器与超声波接收换能器“面对面”放置，两者之间距离 是信号源提供正弦交流电信号，激励超声波发射换能器振动，发出 一平面超声波。超声波接收换能器把声波信号转换成电压信号， 同时还反射一部分超声波。发射的声波、反射的声波振幅虽有差 异，但二者周期相同且在同一条直线上沿相反方向传播，于是二者 在两换能器之间的区域干涉而形成驻波。为了测试声波的波长，可 以缓慢地改变之间距离，则接收到的声波信号转换成的电压信号幅 度每一次周期性的变化，都相当于之间距离改变了半个波长。当两 者的距离是半波长的整数倍时，每个换能器都位于波腹，此时有其

9、 中是整数。通过测量之间的距离，使用逐差法处理测量数据，可求 出声波的波长，进而求出声速。近年来，人们对声速测量的实验进行了深入研究，提出了许 多改进方法，比如有对实验中的声波及声压幅度进行研究的 1?2，有对实验内容进行研究分析的3?4，有对实验中采用不 同介质的情况进行研究的5?7，有对实验装置进行改进设计的 8?9，有对实验数据进行不确定度分析计算的10，也有利用 计算机及相关软件进行虚拟仿真实验的11。但是目前的实验装置仍普遍存在以下不足：（1）通过摇动手柄转动精密丝杆导轨移动装置，从而改变超声波发射换能器和超 声波接收换能器之间的距离，容易产生空程误差，从而影响实验结 果的准确性。（

10、2）采用摇动手柄带动丝杆导轨移动的装置，操作过 程比 较繁琐，而且实验教学过程中发现手柄容易滑丝。（3）采用示波器来观察信号，连线复杂，操作麻烦，容易 出错。（4）一般只能测室温下液体声速。为了克服现有技术的上 述不足，本文提出一种测量不同温度下液体声速的实验装置。该装 置既可以测量高于室温又 可以测量低于室温某一温度下液体声速。 通过直线电机代替丝杆导轨移动装置来改变超声波发射换能器S1 和超声波接 收换能器S2之间的距离，可以避免产生空程误差，不 需要 反复摇动手柄，因此不会出现滑丝问题，操作过程简单。不 采用示波器，而是直接测量并显示超声波接收换能器接收到的声波 信号转换成的电压信号，直

11、观方便。1装置结构图实验装置结构示意图如图1所示，图中，采用一个一端 封闭 的玻璃水槽2，玻璃水槽壁采用双层结构，中间抽成真空，以起到 良好的保温效果。将待测液体注入玻璃水槽2内，高度合适，在 水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置3,用来冷却待测液 体，靠下部分设置一加热装置5,用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器4,用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置3、加热装置5及温度传感器4分 别通过接口与温度控制器17相连接。通过温度设定按键23,数 字选择按键18,上调按键19,下调按键20，可以设定待测液体 的温度，并可在温度显示屏16上显示出来。指 示灯21用来指示 待测液体温度是否

12、达到设定温度，未达设 定温度，显示为红灯，达 到设定温度，显示为绿灯。水槽内一侧固定一超声波发射换能器 6,通过接口与测量控制器25相连，由信号源提供正弦波信号， 频率可以通过粗调旋钮33及细调旋钮34进行调节，并可在显示 屏26上显示出来，信号的幅度可以通过幅度调节旋钮35进行调 节；另一侧设置一超声波接收换能器7, 一方面通过连接杆8与 直线电机9相连，可以在电机的带动下沿导轨10左右移动，另一 方面通过接口 27与测量控制器25相连，通过显示屏36可以将 超声波接收换能器7接收信号电压的幅度显示出来。直线电机9 安装在导轨10上，导轨安装在支架1上，直线电机9通过接口 与直线电机驱动器2

13、8相连，直线电机驱动器通过 接口与测量控制 器25相连，通过测量控制器25上的向左运动控制按键37及向 右运动控制按键39可以设定电机向左或向右运动，通过测量控制 器25上的速度调节旋钮38可以调节电机的运动速度。位移传感 器12通过连接杆11与直线电机9相连，用来确定直线电机9 及超声波接收换能器7的位 置，位移传感器12通过接口与测量 控制器25相连，通过显示屏41可以将其位置坐标显示出来。2具体实验操作过程及测试结果2.1具体实验操作过程（1）通过温度控制器17上的温度设定按键23,数字选择 按键18，上调按键19，下调按键20，设定待测液体的温度。直 到指示灯8由红灯变为绿灯，即待测液

14、体温度达到设定值。（2） 寻找系统的谐振频率。通过测量控制器25上的信 号源幅度调节旋钮35将正弦波信号幅度调节合适，通过测量控制 器25上的信号源频率粗调旋钮33及信号源频率细调旋钮34进 行调节，使测量控制器上的超声波接收换能器接收信号电压幅度显 示屏36显示的电压幅度最大，则此时信号源输出的正弦波信号的频率值即为本系统的谐振频率通过测量控制器25上的直线电机速度调节旋钮38将 直线电机9速度调节合适，通过测量控制器25上的直线电机向 左运动控制按键37及直线电机向右运动控制按键39设定电机向 左或向右运动，按下测量启动按键40，则电机带动超声波接收换 能器7向左或向右运动，同时通过测量控

15、制器25记录移动过程 中超声波接收换能器7接收信号电压的幅度，至最大值时停下来，即驻波的波腹位置，并通过测量控制器25上的位移传感器测 量显示屏41将其位置坐标显示出来。接下来依次按下测量启动按 键，记录下相应超声波接收换能器7位于驻波波腹位置的位置坐 标，比如一共测12个值，分别最后用逐差法处理数据，代入公式求出由谐振频 率和测 出的可以计算声速即为该温度下液体声速的测量值。2.2测试结果为了验证本文改进后的实验装置的可行性，对 其进行了实际测试。待测液体取蒸馏水，温度设定为20 c。利用本文提出的实验装置，确定系统的谐振频率为37 565 Hz，实验数据 如表1所示。最后用逐差法处理数据求

16、出39.51 mm，由谐振频率和测出的 求出声速m/s，与该温度下蒸馏水中声速的公认值m/s比较接近。3结语本文提出一种测量不同温度下液体声速的实验装置。它采用 一个玻璃水槽，水槽内设置半导体制冷装置、加热装置及温度传感 器，超声波接收换能器可由直线电机带动沿导轨左右移动，位移传 感器与电机相连。该装置可以测量不同温度下的液体声速，通过直 线电机来改变超声波发射换能器和超声波接收换能器之间的距离， 不会出现滑丝问题，而且可 以避免产生空程误差，直接测量并显示 超声波接收换能器接收到的声波信号转换成的电压信号，可使操作 过程简单方便。参考文献睦聿文.声速测量实验中声波的研究J.西华大学学 报 （自然科学版），2011，30（1）： 52?55.汤纯，苏建新.声速测量实验中声压幅度极值的研究 J.汕头大学学报（自然科学版），2013, 28（ 2）: 4?7.王山林.关于声速测量实验的研究与设计J.廊坊师范学院学报（自然科学版），2012， 12（1）: 45?46.孙航宾，黄笃之，张禹涛.声速测量实验假象的探讨J.大学物理实验，2011 , 24 （4）: 50?52.陈佳琪，李文政，张亚萍，等.固体声速温变特性实 验室探究J-大学物理实验，2013, 26 （4）: 18?20.李向亭，朱莲根，黄学东.声音在颗粒物质中的传播 特性 J.物理实验，2012, 32 （11）: 36