CN103983339A - 一种测量不同温度下液体声速的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明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。水槽内一侧固定一超声波发射换能器，另一侧设置一超声波接收换能器，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。设定待测液体的温度，依次按下测量启动按键，记录下相应超声波接收换能器位于驻波波腹(或波节)处的位置坐标，最后代入公式就可计算出该温度下液体声速。本发明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，可避免产生空程误差，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。

Description

一种测量不同温度下液体声速的实验装置

技术领域

本发明涉及一种物理实验装置，具体是涉及一种测量不同温度下液体声速的实验装置。

背景技术

声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，它是纵波，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υ、波长λ与频率f之间存在着v＝fλ的关系，若能同时测出媒质中声波传播的频率f及波长λ，即可求得此种媒质中声波的传播速度υ。在弹性媒质中，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz-20kHz的振动所激起的机械波称为声波，可以被人听到，也称为可闻声波；频率在20kHz以上的声波称为超声波，一般超声波的频率范围在2×10⁴Hz-5×10⁸Hz之间。超声波的传播速度就是声波的传播速度，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f提高，波长λ就短，故在不长的距离内可测到许多个λ，取其平均值，λ的测定就较准确。

液体声速的测定是物理实验中一个常见的实验项目。测量液体声速的方法很多，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，压电陶瓷超声换能器做波源具有平面性、单色性好以及方向性强等特点。利用压电陶瓷的逆压电效应可将压电材料制成超声波发射换能器，通过信号源信号的激励引起振动，把电能转换为声能，作为超声波发射器，在空气中传播出超声波。利用压电陶瓷正压电效应可将压电材料制成超声波接收换能器，来接收空气的振动，把声能转换为电能，即把声波信号转换成电压信号，作为超声波接收器。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S₁与超声波接收换能器S₂“面对面”放置，两者之间距离是L，信号源提供正弦交流电信号，激励超声波发射换能器振动，把电能转换为声能，发出一平面超声波。超声波接收换能器把声能转换为电能，即把声波信号转换成电压信号，同时还反射一部分超声波。这时每个换能器都相当于一个不完全的反射器，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，于是超声波发射换能器S₁发射的超声波和超声波接收换能器S₂反射的超声波在两换能器之间的区域干涉而形成驻波。驻波相邻两波腹(或波节)之间的距离为半个波长。移动超声波接收换能器S₂的位置(即改变S₁与S₂之间的距离)，可以发现在一系列特定的位置上，S₂接收到的声压达到极大值(或极小值)，相邻极大值(或极小值)之间的距离皆为半个波长。为了测试声波的波长，可以缓慢地改变S₁、S₂之间距离，则S₂接收到的声波信号转换成的电压信号不断地由最大变到最小再变到最大，而幅度每一次周期性的变化，都相当于S₁、S₂之间距离改变了半个波长。当两者的距离L是半波长的整数倍时，每个换能器都位于波腹，此时有上式中n是整数。通过测量S₁、S₂之间的距离，用逐差法处理测量数据，可求出声波的波长，进而求出声速。

目前测量液体声速的装置主要存在以下不足：

其一，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S₁和超声波接收换能器S₂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。

其二，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。

其三，采用示波器来观察信号，连线复杂，操作麻烦，容易出错。

其四，一般只能测室温下液体声速。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明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，直观方便。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用一个一端封闭的玻璃水槽，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。待测液体注入玻璃水槽内，高度合适，在玻璃水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却待测液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定待测液体的温度。通过温度控制器上的按键设定待测液体的温度，利用温度传感器测量待测液体的实际温度，温度控制器内部由微处理器进行控制，如果设定温度低于实际温度，则启动半导体制冷装置，冷却待测液体，直到温度降低到设定值；如果设定温度高于实际温度，则启动加热装置，加热待测液体，直到温度增加到设定值。玻璃水槽内一侧固定一超声波发射换能器，通过接口与测量控制器相连，由测量控制器内部的信号源提供正弦波信号，信号的频率和幅度可以通过测量控制器上的旋钮进行调节；另一侧设置一超声波接收换能器，一方面通过连接杆与直线电机相连，可以在电机的带动下沿直线电机导轨左右移动，另一方面通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器上的显示屏可以将超声波接收换能器接收信号电压的幅度显示出来。直线电机安装在导轨上，导轨安装在支架上，直线电机通过接口与直线电机驱动器相连，直线电机驱动器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器可以设定电机的运动方向及运动速度。位移传感器通过连接杆与直线电机相连，用来确定直线电机及超声波接收换能器的位置，位移传感器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器上的显示屏可以将其位置坐标显示出来。实验时通过温度控制器上的按键设定待测液体的温度，接下来通过测量控制器上的信号源幅度调节旋钮将正弦波信号幅度调节合适，通过信号源频率粗调及细调旋钮调节正弦波信号频率，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。通过测量控制器将直线电机速度调节合适，设定其运动方向，按下测量启动按键，则电机带动超声波接收换能器向左或向右运动，同时通过测量控制器记录移动过程中超声波接收换能器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，并在测量控制器上的显示屏将其位置坐标显示出。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位于驻波波腹位置的位置坐标，最后代入公式就可以计算出该温度下液体的声速。

本发明的有益效果是，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，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，从而使操作过程简单方便。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图是本发明的结构示意图。

图中1.支架，2.玻璃水槽，3.半导体制冷装置，4.温度传感器，5.加热装置，6.超声波发射换能器，7.超声波接收换能器，8.超声波接收换能器与直线电机之间的连接杆，9.直线电机，10.直线电机导轨，11.位移传感器与直线电机之间的连接杆，12.位移传感器，13.半导体制冷装置与温度控制器之间的接口，14.温度传感器与温度控制器之间的接口，15.加热装置与温度控制器之间的接口，16.温度显示屏，17.温度控制器，18.数字选择按键，19.上调按键，20.下调按键，21.指示灯，22.复位按键，23.温度设定按键，24.超声波发射换能器与测量控制器之间的接口，25.测量控制器，26.信号源频率显示屏，27.超声波接收换能器与测量控制器之间的接口，28.直线电机驱动器，29.直线电机与直线电机驱动器之间的接口，30、31.直线电机驱动器与测量控制器之间的接口，32.位移传感器与测量控制器之间的接口，33.信号源频率粗调旋钮，34.信号源频率细调旋钮，35.信号源幅度调节旋钮，36.超声波接收换能器接收信号电压幅度显示屏，37.直线电机向左运动控制按键，38.直线电机速度调节旋钮，39.直线电机向右运动控制按键，40.测量启动按键，41.位移传感器测量显示屏。

具体实施方式

附图中，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，在玻璃水槽2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分别通过半导体制冷装置与温度控制器之间的接口13、加热装置与温度控制器之间的接口15及温度传感器与温度控制器之间的接口14与温度控制器17相连接。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，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达到设定温度，待测液体温度不等于设定温度，指示灯21显示为红灯，待测液体温度达到设定温度，指示灯21显示为绿灯。玻璃水槽2内一侧固定一超声波发射换能器6，通过超声波发射换能器与测量控制器之间的接口24与测量控制器25相连，由测量控制器25内部的信号源提供正弦波信号，信号的频率可以通过测量控制器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，并可在信号源频率显示屏26上显示出来，信号的幅度可以通过测量控制器25上的信号源幅度调节旋钮35进行调节；另一侧设置一超声波接收换能器7，一方面通过超声波接收换能器与直线电机之间的连接杆8与直线电机9相连，可以在电机的带动下沿直线电机导轨10左右移动，另一方面通过超声波接收换能器与测量控制器之间的接口27与测量控制器25相连，通过测量控制器25上的超声波接收换能器接收信号电压幅度显示屏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安装在直线电机导轨10上，导轨安装在支架1上，直线电机9通过直线电机与直线电机驱动器之间的接口29与直线电机驱动器28相连，直线电机驱动器28通过直线电机驱动器与测量控制器之间的接口30、31与测量控制器25相连，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可以设定电机向左或向右运动，通过测量控制器25上的直线电机速度调节旋钮38可以调节电机的运动速度。位移传感器12通过位移传感器与直线电机之间的连接杆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通过位移传感器与测量控制器之间的接口32与测量控制器25相连，通过测量控制器25上的位移传感器测量显示屏41可以将其位置坐标显示出来。

具体实验操作步骤为：

(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f₀。

(3)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x₁、x₂、……x₁₂。

(4)最后用逐差法处理数据，代入公式求出λ，由谐振频率f₀和测出的λ，可以计算声速v＝f₀λ，即为该温度下液体声速的测量值。

(5)记下实验室的室温t(℃)，根据公式v_t＝331.45+0.59t计算理论值，与测量值比较，计算误差，并对结果进行讨论。

以上对本发明的结构进行了阐述，但是本发明所介绍的实施例并没有限制的意图，在不背离本发明主旨的范围内，本发明可有多种变化和修改。

Claims (3)

1.一种测量不同温度下液体声速的实验装置，具体是采用一个一端封闭的玻璃水槽，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，其特征是：在玻璃水槽内液体中靠上部分设置一半导体制冷装置，用来冷却待测液体，靠下部分设置一加热装置，用来加热待测液体，中间部分设置一温度传感器，用来测量待测液体的温度，半导体制冷装置、加热装置及温度传感器分别通过接口与温度控制器相连接，通过温度控制器上的按键可以设定待测液体的温度。

2.根据权利要求1所述的测量不同温度下液体声速的实验装置，其特征是：玻璃水槽内一侧固定一超声波发射换能器，通过接口与测量控制器相连，由测量控制器内部的信号源提供正弦波信号，信号的频率和幅度可以通过测量控制器上的旋钮进行调节，另一侧设置一超声波接收换能器，一方面通过连接杆与直线电机相连，可以在电机的带动下沿直线电机导轨左右移动，另一方面通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器上的显示屏可以将超声波接收换能器接收信号电压的幅度显示出来，直线电机安装在导轨上，导轨安装在支架上，直线电机通过接口与直线电机驱动器相连，直线电机驱动器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器可以设定电机的运动方向及运动速度。

3.根据权利要求1所述的测量不同温度下液体声速的实验装置，其特征是：位移传感器通过连接杆与直线电机相连，用来确定直线电机及超声波接收换能器的位置，位移传感器通过接口与测量控制器相连，通过测量控制器上的显示屏可以将其位置坐标显示出来。