声速的测定实验报告【优质5篇】

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声速测量实验【第一篇】

Abstract: Measure the speed of sound with four different sound velocimeter in the same experiment environmental conditions. Each instrument are used for resonance interferometry and phase measurement of acoustic wave propagation velocity in the air and make a comparative study. In the measurement of the resonance interferometry, select the digital oscilloscope to observe changes in the voltage values to determine the maximum position; in the experimental phase method, choose minimum voltage sensitivity of the oscilloscope to observe the changes of lissajous figures. The results show that the phase method is more accurate and superior than the resonance interferometry.

关键词： 声波；驻波法；相位法；数字示波器

Key words: sound waves；standing wave method；the phase method；digital oscilloscope

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0064-02

0 引言

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz～20KHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。

声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化[1-4]。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。

由于超声波具有波长短、易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射接收一般通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现。最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。本实验就是测量频率为的超声波在空气中的传播速度。

1 实验原理

测量声速的方法有两种：时差法和波动法[5-8]。

时差法在工程中得到了泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过t时时间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系：v=L/t。

在波动过程中波速V、波长？姿和频率f之间存在着下列关系：V=f?姿，实验中可通过测定声波的波长？姿和频率f来求得声速V，通常情况下声波的频率是已知的，这样只要测出声波在介质中传播的波长即可。常用的方法有共振干涉法与相位法。本次实验研究采用的就是利用共振干涉法和相位法展开的。

共振干涉法 装置如图1所示，压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，压电陶瓷换能器压电效应中压力和电信号之间是正比关系，所以示波器上显示的电信号越强说明作用在压电陶瓷换能器端面上的力越大，从而说明处在S2接受器端面位置的声压也越大。由于声波要在S1和S2两器件端面之间反射多次，因此在两各端面之间形成的声波场对应的质点位移变化和声压变化不再是简单的驻波，而是行驻波，但在端面距离较小时，接收端面近似处于声压波腹位置，且相邻的两个声压极大值之间距离？驻L=?姿/2[9-11]，这样只要测量出一系列相邻的声压级极大位置就可以测出波长。

相位法 实验原理如图2所示，当发射端S1发出的平面超声波通过媒质到达接收端S2，在发射波与接收波之间产生相位差：

入射波的平面波方程：x=A1cos（?棕t+?渍1）

反射波的平面波方程：y=A2cos（?棕t+?渍2）

合振动方程为

■+■-■cos（?渍1-?渍2）=sin2（?渍2-?渍1）

此方程轨迹为椭圆，椭圆长短轴和方位由？驻？渍=（?渍2-?渍1）决定。

当？渍2-?渍1=0时，y=■x，轨迹为通过一和三象限的直线。

当？渍2-?渍1=?仔/2时，y=■+■=1，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆。

声速测量实验【第二篇】

根据天津市委八届三次全会提出的“三步走”战略目标和五大战略举措，以建设世界名河为目的，海河综合开发改造工程正在紧张有序地建设实施。海河堤岸改造是本工程的重要组成部分之一，又是先期实施的基础工程，该工程从北运河的北洋桥至海河外环线桥，河道全长约20km，左右两岸累计堤岸长约40km，起步区段为慈海桥至北安桥段和琼州道至海河大桥段。

按照海河综合开发规划，其堤岸工程断面大多采用退台式护岸，需对现状护岸进行改造。刘庄桥下游段堤岸断面在高程（大沽高程，下同）处设亲水平台，亲水平台与现状地面之间设直墙式护岸，亲水平台与河岸边多采用重力式挡土墙或板桩式护岸。

该工程段(右岸)在埋深0～18m范围内所涉及到的地层为第四系全新统松散堆积物，自上而下依次为：

⑴人工填土层（rQ）：全区分布，该层由杂填土和素填土组成，层底高程-～。

⑵古河道、河漫滩冲积相新近沉积层（alQ43N）：全区分布，该层岩性变化不大，主要由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土及淤泥质粉土透镜体，层底高程-～-。

⑶第四系全新统中部海相层（mQ42）：全区分布，岩性由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土透镜体，层底高程-～-。

⑷第四系全新统下部陆相沉积层（alQ41）：岩性由粉质粘土及粉土组成，该层未揭穿，可见厚度大于。

依据委托单位提供的设计及施工资料，本段地连墙总长度为，共分18个槽段，四种建筑类型，本次检测其中一种类型（即I型），该类型地连墙厚、宽、深。按照国家和天津市的有关规定，并考虑本工程的具体情况和设计要求，确定检测6个槽段，检测比例为%。检测位置见图1（图中A、B、C为各检测段号三个预埋声测管）。

2检测原理与方法

以介质的弹性特征为基础，进行弹性波测试，以求得筑墙介质的物理力学指标。当弹性波在介质内传播时，与介质本身的物理力学性质有着密切的关系，通过测取弹性波的波列记录，可以取得一系列运动学和动力学参数，分析整理这些参数，来判定介质质量的优劣，并提供定量依据。

理论分析和实践经验表明，地连墙混凝土质量较好时，其声波速度值较高或波幅值较大(信号强)，且波速离散性较小；而混凝土质量存在缺陷(离析、密实度差、强度低)时，其声波速度值较低或波幅值减小(信号弱)，且波速离散性较大。

检测采用声波穿透法，测试原理见图2。其中由发射换能器激发的声波经水的耦合传播到声测管，再在墙体混凝土介质中传播，经接收端的声测管由水耦合到接收换能器。

根据本次检测任务要求和现场各槽段声测管的分布特点，施测时在每一槽段的三个预埋管中放入三个谐振频率为50kHz的声波换能器，中间管(图1中B号管)放置发射换能器，两侧管(图1中A号管和C号管)放置接收换能器。首先将三个换能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上实施观测，测点距为，三探头同步提升并进行测试，直至管口。

测试仪器为国产WSD—2型数字声波分析仪及其附属设备。

3数据整理与分析

将实测数据进行归纳整理，按照式(1)计算声波速度Vp(m/s)。

Vp=L/T………………………………………………(1)

式中：L——发射管与接收管外壁之间的水平距离(m)；T——声波在距离L内的走时(s)。

根据求得的声波波速值绘制速度(Vp)——深度(H)曲线，并按照下列方法和步骤确定声速临界值，以此判定声速异常区。

（1）将同一检测剖面各测点的声速值由大到小依次排序，即

Vp1≥Vp2≥…≥Vpi≥…≥Vpn-k≥…≥Vpn-1≥Vpn………………………………(2)

式中：Vpi——按序排列后的第i个声速(Vp)测量值；n——测点数；k——逐一去掉式(2)Vpi序列尾部最小数值的数据个数。

（2）对逐一去掉Vpi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括Vpn-k在内的余下数据Vp1～Vpn-k按下列公式进行统计计算：

Vp0=Vpm－λSx…………………………………………(3)

…………………………………(4)

………………………(5)

上述式中：Vp0——异常判断值；Vpm——n－k个数据的平均值；Sx——n－k个数据的标准差；λ——由表1查得的与n－k相对应的系数。

（3）将Vpn-k与异常判断值Vp0进行比较，当Vpn-k≤Vp0时，Vpn-k及其以后的数据均为异常，应去掉；再用数据Vp1～Vpn-k-1并重复式(3)～(5)计算步骤，直到Vpi序列中余下的全部数据满足：Vpi＞Vp0，此时，Vp0为声速的异常临界值VpD。

（4）声速异常时的临界值判据为：Vpi≤VpD，当其成立时，声速可判定为异常。

（5）当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性较小时，宜采用声速低限值判断：Vpi＜VpL，其中Vpi——第i个测点声速(m/s)；VPl——声速低限值(m/s)，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合实际经验确定。

当上式成立时，可直接判定为声速低限值异常。

表1统计数据个数n－k与对应的λ值

n-k

20

22

24

26

28

30

32

34

36

38

40

42

44

46

48

λ

n-k

50

52

54

56

58

60

62

64

66

68

70

72

74

76

78

λ

n-k

80

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

105

110

115

120

λ

n-k

125

130

135

140

145

150

160

170

180

190

200

220

240

260

280

λ

（6）当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按下列公式计算：PSD=K·T…………………………………………(6)

………………………………………(7)

T=Tpi－Tpi-1………………………………………(8)

式中：Tpi——第i个测点的声时(μS)；Tpi-1——第i－1个测点的声时(μS)；Zi——第i个测点的深度(m)；Zi-1——第i－1个测点的深度(m)。

根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判断。

（7）当采用信号主频值作为辅助异常点判据时，主频——深度曲线上主频值明显降低，可判定为异常。

综合上述分析，地连墙混凝土质量异常区应结合各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及混凝土质量可疑点加密测试后的结果等综合判定，并确定混凝土缺陷的范围和大小。

4成果分析与质量评价

综合分析声速(波幅)——深度曲线图(典型曲线见图3)并结合施工资料，对地连墙混凝土内部结构进行质量评价。

（1）地连墙缺陷：以声速临界值（或声速低限值）、声速平均值以及波幅临界值判据进行综合分析判定。

（2）地连墙混凝土均匀性按声速离散系数Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分为A、B、C、D四级(见表2)。

（3）根据地连墙混凝土声学特征及其均匀性，是否存在缺陷以及缺陷的严重程度，将地连墙的内部结构质量分为四类：

表2声速离散系数级别表

混凝土均匀性等级

A级(均匀)

B级(一般)

C级(较差)

D级(极差)

Cv(%)

Cv<5

5≤Cv<10

10≤Cv<15

Cv≥15

Ⅰ类(优良)：各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。

Ⅱ类(较好)：某一检测剖面个别测点声学参数出现异常，个别测点声速低于低限值异常。

Ⅲ类(一般)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。

Ⅳ类(较差)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。

由本测段地连墙预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，并结合本市实际测试经验确定该地连墙混凝土质量评价的声速低限值为/s。现就检测槽段的声波成果分析如下：

①段13-I/38：该检测段号测试深度仅为(9m以下因堵孔无法测试)，AB、BC剖面在深0～处声速小于低限值/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为/s、/s，标准差分别为/s、/s，混凝土离散系数分别为、，表明混凝土在0～间质量较差，其余测段混凝土质量优良。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅲ类，混凝土均匀性为B级。

②段11-I/30：该检测段号测试深度为，其中BC剖面在深～处声速小于低限值/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为/s、/s，标准差分别为/s、/s，混凝土离散系数分别为、。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A～B级。

③段11-I/31：该检测段号测试深度为，其中AB剖面在深0～处声速小于低限值/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为/s、/s，标准差分别为/s、/s，混凝土离散系数分别为、。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。

④段14-I/39：该检测段号测试深度为，其中BC剖面在深0～处声速小于低限值/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为/s、/s，标准差分别为/s、/s，混凝土离散系数分别为、。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。

⑤段15-I/41：该检测段号测试深度为，其中AB剖面在深0～处声速小于低限值/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为/s、/s，标准差分别为/s、/s，混凝土离散系数分别为、。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为B级。

⑥段10-I/29、段12-I/35、段13-I/36、段13-I/37：各段内混凝土声速值较高，离散性小，表明检测段内混凝土质量优良，结合波幅等声学参数，综合判定上述四段混凝土质量为I类，混凝土均匀性为A级。

各槽段检测结果及综合分析见表3。

表3地连墙混凝土质量检测综合成果表

段号

检测深度

龄期

平均声速

声速异常临界值

声速

标准差

离散系数

混凝土设计强度

质量综合分析与评判

备注

AB/BC

(m)

(d)

(km/s)

(km/s)

(km/s)

(km/s)

(%)

段10-I/29

>28

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

由本测

段地连

墙混凝

土预留

同条件

混凝土

试件的

抗压强

度与声

速对比

试验结

果并结

合本市

实际测

试经验

确定该

地连墙

混凝土

质量评

价的声

速低限

值为

km/s。

段11-I/30

>28

C30

整体质量较好，其中BC剖面在深～处声速小于低限值/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A～B级

段11-I/31

>28

C30

整体质量较好，其中AB剖面在深0～处声速小于低限值/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级

段12-I/35

>28

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级。因C孔堵塞严重，BC剖面没有进行检测

/

/

/

/

段13-I/36

>28

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

段13-I/37

>28

C30

整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级

段13-I/38

>28

C30

质量一般，其中AB和BC剖面均在深0～处声速小于低限值/s，综合评价Ⅲ类，均匀性B级

段14-I/39

>28

C30

整体质量较好，其中BC剖面在深0～处声速小于低限值/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级

段15-I/41

>28

C30

整体质量较好，其中AB剖面在深0～处声速小于低限值/s，综合评价Ⅱ类，均匀性B级

通过对6个槽段计9个测区的检测成果综合分析和评价可得出如下检测结果。

（1）被检测槽段中，混凝土内部结构整体优良（Ⅰ类）4个，占所检测槽段的%；整体质量较好（Ⅱ类）4个，占所检测槽段的%；整体质量一般（Ⅲ类）1个，占所检测槽段的%。

（2）被检测槽段混凝土内部结构整体优良或较好，局部槽段质量一般，在检测的剖面中多存在声测管管口附近混凝土质量较差。

5结语

以上详细介绍了声波穿透法在地连墙质量检测中的应用及其数据处理和分析方法，由此可以看出，该法具有经济、无损、快速、便于分析等优点，因而在地连墙质量检测中得到较为广泛的应用。

目前，应用地球物理探测技术对地下隐蔽工程的无损检测已经取得了很大的进展，已由试验研究阶段转向实用阶段，并在工程实践中不断得到完善和提高。但由于地下隐蔽工程的施工工艺和填筑材料的不同，其存在的质量问题也不尽相同，因此对地下隐蔽工程质量的无损检测难度也会更大，这就要求我们研究或寻找多种检测技术或方法，综合开发，综合应用，综合分析，有效地提高地下隐蔽工程质量检测的精度，并查明工程内部的质量隐患类型和位置，更好地为工程建设服务，这将是我们今后努力的方向。

参考文献

[1]刘康和。超声回弹综合法的工程应用[J].长江职工大学学报，2003,(1).

[2]杨萍，刘康和。混凝土非破损检测技术应用与探讨[J].电力勘测设计，2003,(2).

声速测量实验【第三篇】

关键词：超声波；Arduino；物理；数字实验室

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）10-0059-4

当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。人类耳朵能听到的声波频率为20 Hz～20000 Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特性，在测距、测速等方面具有广泛应用。本文结合高中物理数字化实验开发实例，阐述如何利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集，实现精确、直观、高效率的实验测量和数据处理。

1 超声波测距原理及方案对比

超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别放置在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v*Δt求得距离。另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v*（Δt/2）求得距离。方案一的测量精度较高，但实验较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置。因此，我们采用了方案二“反射式”测距方式。

常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品，差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块。但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之。

如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50 Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50 Hz，也就是说测量周期不能大于20 ms。而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：

（1）HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高。为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10 μs的高电平，然后模块发射8个40 kHz超声波脉冲约耗时 ms，超声波传播至目标需时t=1 m/（340 m/s）= ms，反射至接收器件又需 ms，最后模块向单片机输出一个宽度为 ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果。整个过程约需12 ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5 ms），整个测量周期很难控制在20 ms之内。换个说法，50 Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性。尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50 ms以上，不能达到实验的要求。

（2）US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真。

（3）US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时

US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20 ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12 ms，则最大测量距离可达340*12/2=2040 mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求。

此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性。从表2可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到%，已经不能忽视。

所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器。

2 利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集

Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集。结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能。

（1）系统硬件构成：我们采用Arduino Uno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5 V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易。为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可。图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图。

（2）系统软件设计和优化：由于超声波测距模块已经把发射、接收、计时整体设计在内，所以本系统的单片机程序很简洁，这也是采用成品测距模块的原因，主程序只负责触发模块、接收数据、向计算机转发数据三个环节。但想要得到比较稳定精确的实验效果还有许多问题需要解决，我们发现网络和杂志常见的一些测距方案或实验都缺乏必要的严谨性，本次设计重点思考并优化解决了如下几个问题：

问题一，如何提高测量量程？

如前所述，我们采用US-100模块进行超声波测距，摒弃了常用的HC-SR04模块，能够减少读取测量结果的时间，从而把量程扩大到2米左右，使之符合常见中学物理实验的要求。

问题二，如何提高测量频率？

为了进一步降低测量周期、提高测量稳定性，我们把Arduino向PC通讯常用的命令改为命令，每次发送四字节的二进制数据，前两字节为数据标志位，一方面可以作为起始位避免数据错位，另一方面第二字节还可以作为扩展位以提供功能扩展。后两字节是二进制的测量结果数据，并设定传输波特率为115200，使数据传输时间减少到 ms，向计算机实际通讯时间小于一毫秒，从而进一步减小测量和通讯所需时间，保证测量频率为50 Hz时具有足够冗余的时间，保障了实验的稳定性。

问题三，如何最后是时间比较环节，通过反复测试的校正参数保证了整个周期为20 ms，实测误差不精确控制测量周期？

测量周期的计时原则上可以由上位机或下位机决定，但实际上Windows作为多任务操作系统根本难以保证毫秒级的时间稳定性，而单片机从架构上来说就具有较好的时间稳定性，因此我们设定由单片机程序进行测量周期的计时和比较。单片机程序的各个步骤都有一些微秒级的操作时间，这个时间是固定的，但唯有单片机与计算机通讯的命令受计算机影响时间稳定性较差，有些类似程序没有考虑周全导致程序整体的时间精确性达不到要求。我们的解决方案是把初始计时放在程序之首，然后就是数据发送环节，之后是数据采集环节，大于%。

（3）核心代码：

3 PC数据采集与图形化显示程序

上述Arduino系统已经完成了超声波测距、数据采集并向计算机发送的工作，最后还需要通过一定的Windows程序接收数据、保存数据，并能以图形化显示。为此，我们用编写了数据接收和显示程序，并命名为“GeekFlash数据采集器”，如图6是程序的运行界面和某次动态测距的曲线图。限于篇幅，PC端程序不做详细说明。

4 超声波测距与采集在高中物理实验中的实践案例

采用本系统测量重力加速度实验的一组数据如表3所示，限于超声波测距模块的精度（实测在+-1 mm左右），去除首尾无效数据，所测得的重力加速度在～左右，学生不仅可以通过图像直观了解物体下落过程位移随时间变化的特点，也可以根据现场采集的数据计算当地重力加速度值，在实验误差范围内，其精确度、直观性以及实验效率均大大优于打点计时器的效果。（图7）

参考文献：

[1]程晨。Arduino开发实战指南：AVR篇[M].北京：机械工业出版社，

声速测量实验【第四篇】

[关键词]汽车发电机；噪声测试；方案设计；声学实验

中图分类号： 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0107-01

引言

当前汽车发电机噪声测试是汽车检测的薄弱环节，但汽车发电机的噪声控制影响汽车整体的乘坐体验，是汽车发电机整体性能的重要参照指标，我国汽车制造与检测的尖端技术掌握不够全面，对汽车发电机噪声的产生与控制领域研究较浅，因此在国内缺乏有效的汽车测试验证测试实验平台，目前汽车交流发电机噪声测试的主要方法是实车实验和台架测试，实车实验中汽车发电机噪声收集和数据的整合存在大量的影响因素，一般只用于汽车舒适性性能的测试，因此在本次汽车发电机噪声的测试方案设计中采用台架测试的方式搭建实验台，对汽车发电机在汽车发动机不同工作状态下的噪声进行测试以及噪音的控制，并对发电机的噪声变化曲线进行分析，得出汽车发电机噪声的产生的规律以及影响因素，并为汽车发电机的噪声的控制提供理论支持。

1. 汽车发电机噪声来源分析

发电机通过发电机转矩的输入旋转产生电能，发电机的转速与震动的频率有直接的关系，因此根据噪声产生不同的方式分为机械噪声、电磁噪声、空气动力噪声。机械噪声是汽车发电机在机械传动中产生的噪声，机械振动的频率与噪声的性质有较大关系，是一种高频噪声，是产生车内噪音的重要来源，对乘车环境造成极大的影响。电磁噪音是汽车励磁发电机在转动过程中磁场脉冲变化产生的，发电机的定子与转子在脉冲切割作用下产生电流，并能引起转子与定子的脉冲波动，产生低频噪音。电磁噪音与发动机震动形成的性质迥异，发动机低沉的噪声，难以掩盖高频音波，因此在发动处于怠速状态时，电磁噪音尤为显著，容易引起乘车人员的察觉，并产生不适的反应，是现代汽车发电机亟待解决的问题。汽车发电机空气噪很小，汽车发电机制作工艺相对较高，采用密封设计，因此空气噪声较少。我国汽车发电机按照QC /T 729―2005行业标准进行噪声的检测控制，但是在标准中对噪音测试方案的规范性与科学性没有限定，仅仅考虑汽车发电机在正常工作状态下噪声控制的范围小于 23dB（A）。

2. 汽车发电机噪声测试方案设计

汽车发电机噪声测试实验室吸声结构设计

噪音测试实验室吸音结构的设计与方案的选择是测试环节的重要环节，对测试结果有直接的影响。实验室吸音结构采用当前技术较为前卫的尖劈吸声结构，尖劈装隔音材料通过对声波的直接过滤和多次的反射过滤实现声波的高效吸收，当声波从尖劈尖端传入时，声波会向四周扩散，借助吸声层对声波的过滤作用，隔音材料的声阻抗与空气的声阻抗能够很好的匹配，因此能够实现声波的高效吸收，在国内汽车发电机的噪声检测实验室的建设的不够完善，由于劈尖状结构的自身特点，以及材料的性质，造价较为昂贵，因此也限制了汽车发电机噪声检测技术的发展。

消声室设计

目前我国消声室的建设标准根据等级可以采用ISO3744、ISO3745、ISO3746等国标。汽车发电机噪声的检测要求精度较高，为了达到汽车发电机测试精度兼顾消声室的经济性，本此探析汽车发电机噪声测试方案设计中采用ISO3745的国际标准，针对汽车发电机在汽车不同工作状态下的噪音性质进行评定。国际声学标准对比见表1。

发动机驱动试验台设计

在消音室进行汽车发电机的消音实验中，需要汽车发动机的动态模拟。因此需要模拟汽车发动机装置。汽车发电机噪声测试方案设计采用电动机替动机的设计，通过改变电动机的速度调节参数，模拟汽车发动机不同的运动状态，通过T型的同步带进行传动，将该装置装于隔音箱中，并置于消音室较高的位置，降低电动机噪声对汽车发电机噪声测试精度的影响。电动机的代替汽车发动机的安装结构如图1所示

发电机转速测量设计

发电机转动是产生噪声的本质原因，因此要精确的测量发电机的输出转速，为了达到转速的准确控制和记录，采用常规光电脉冲信号测量结合三相交流电采集的模式，确保转速的准确测量，首先在发电机的输出转轴上设置光电脉冲的反射点，然后利用光电脉冲记录装置实现对转速的精确记录，其次利用三相电的特征采集经过换算，得出发电机的转速，由于光电脉冲采样对距离和设备的要求较高，因此在实际操作中存在许多不便，因此以采集三相交流电相频特征换算为发电机的转速为主要的汽车发电机测量手段。

3 汽车发电机噪声测试验收分析方法

汽车发电机噪声的收集与验收分析方法有两方面，一方面是对消声室背景噪音的收集与分析，环境背景噪声应该

满足小于25dB，截止频率应保持在100±5hz，另一方面需要借助专业的噪音分析设备进行音波曲线的分析，去除考核中驱动台的动态本底噪音。汽车发电机的噪声检测环境噪音值标准，见表2。

根据测试结果，记录台面的震动频率符合设定标准，通过对噪音的阶次分析，汽车发电机没有明显的共振频率，不出现幅值重合段。因此符合以上测试条件则可以判断汽车发电机的噪声控制符合使用标准。

结语

本课题通过对噪声声学环境要求的分析，确定试验设计方案中吸声结构的设计，确保噪声收集和吸引效果的准确性，搭建汽车交流发电机实验平台，建立尖劈吸声消声室，对汽车发电机噪声进行测试验证。为汽车发电机噪声的优化和改进提供必要的参考，对车辆NVH性能的提升有重要的促进作用，对汽车发电机噪声的控制研究有重大意义。

参考文献

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[2] 胡秉奇，王以真。消声室的设计与建造――锐丰公司消声室的设计[J]. 电声技术。2011（09）.

声速测量实验【第五篇】

关键词：声速测量；驻波法；相位比较法；数据处理；Origin软件；拟合直线

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0261-03

Abstract： Data processing methods of sound velocity measurement experiment frequently use the gradual deduction method and the least square method， but need more calculation， and the process is complicated. In order to facilitate the data processing， in this paper the velocity measurement data processing using of Origin software were studied. The results show that the fitting line of standing wave method and phase comparison method is equally， also show that the datd of measuring sound velocity of the two methods have good linear relationship. But the measurement error of the phase comparison method is less than the standing wave method， illustrate the phase comparison method on the sound velocity measurement is better than that of standing wave method， but may be caused by the data interval made great when use the phase comparison method to measure . which needs further proof.

Key words： sound velocity measurement； standing wave method； phase comparison method； data processing； origin software； fitting line

1 概述

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20～20000Hz的声波称为可闻波，而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短，易于定向发射等特点，使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式V=l/t，测出传播距离l和所需时间t后，即可计算出声速；第二类方法是利用关系式V=λf，测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法，即利用声速和波长、频率的关系测量声速。

2 实验原理

驻波法

实验装置如图1所示，从发射换能器S1发出一定频率的平面波，经过空气传播到接收换能器S2，一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出，一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行，则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6]，由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗，两列波形成的驻波并非理想驻波，但相邻波腹（或波节）之间的距离刚好等于半波长的整数倍，即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值（或极小值）之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l，同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化，可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变，使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置，即可求出声波波长λ，则声速为

因此，只要测出声波频率f和波长λ，就可利用（1）式计算出声速[8]。

相位比较法

波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的，当发射端与接收端的距离发生变化，入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号，这两个简谐振动的振幅、频率相同，干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时，李萨如图形也不同，如图2所示。

实验时改变S1、S2之间的距离l，相当于改变了入射波和反射波之间的相位差，在示波器上可观察到相位的变化，即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期（即φ=2π），相同的图形就会出现。实际上，从任何一个状态开始观察，只要李萨如图形复原，S2移动的距离就为一个波长，但为了取得较为准确的实验结果，实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，即可利用公式（1）计算出声速V[10-14]。

空气中声速的理论值

空气中的声速与环境温度和湿度有关，若只考虑温度的影响，声速的理论计算式为：

其中t为环境温度，采用摄氏温标，T0=，V0为0℃时的声速，对于空气介质V0=/s。根据（2）式可计算出t℃时空气中声速的理论值。

3 数据原始记录

根据前述实验原理，声速测量时首先要测量环境温度t，本次实验的环境温度t=℃。其次是测试系统的最佳工作频率，如表1所示。用驻波法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使干涉波形的振幅达到极大值，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比较法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使李萨如图形出现一、三象限斜直线，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数，分别记为l2、l3、……、l6，如表3所示，这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。

4 数据处理及分析

空气中声速理论值

环境温度为℃时，声速的理论值：

=/s

驻波法

设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打开Origin软件后，界面上会出现两列空白数据表格A（X）、B（Y），分别输入1～12和l1～l12的值，以i为横坐标，li为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图1所示，拟合报告如表4所示。

从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好，即i和li具有严格的线性关系，这也可以从拟合报告中看出，因为关联系数r=，非常接近于1，所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=，所以波长λ=≈。因此声速V=λf=×=/s与理论值的误E=（V-Vs）/Vs=%。

相位比较法

设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打开Origin软件后，界面与驻波法一样，在数据表格A（X）、B（Y）中分别输入1～6和l1～l6，以i为横坐标，li作为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图2所示，拟合报告如表5所示。

从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样，因为二者的关联系数r=，非常接近于1，所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=，所以波长λ=≈。因此声速V=λf=×=/s与理论值的误差E=（V-Vs）/Vs=%。

5 结束语

本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理，从结果上来看，驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好，因为二者的关联系数r一样，所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样，相位比较法的误差小一些，说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的，驻波法的数据间隔是半波长，相位比较法的是5个波长，这点有待笔者进一步证明。

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