CN111458010A - 一种电子声速测定仪 - Google Patents

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张文昭
刘志壮
程文志
谭佳文
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Abstract

该发明涉及一种电子声速测定仪，该装置包括控制器、扬声器、拾音器、温度传感器、压力传感器模块、玻璃管、塑料水杯、胶管和支架。由控制器控制扬声器发出一定频率的声波，通过拾音器传回给控制器，检测声波的大小；由压力传感器模块检测水位的高度和空气柱的长度；通过驻波原理检测出声波波长，由波长和声波频率计算出声速。

Description

一种电子声速测定仪
技术领域
该发明涉及到物理、电子和传感技术领域，特别是用电子和传感技术的手段来测量声速这个物理量的一种电子声速测定仪。
背景技术
声速测定是大学物理常做的一个实验，过去采用音叉和共鸣管，通过人工来测量，测量速度慢，误差大，且受人为因素影响大，不同的人测量结果相差很大。过去的测量方法都是人工听声音大小来识别与判断驻波的波腹与波节，依赖人耳判定声音大小，很难判定准确，同时观察水位处刻度线，读数误差大，造成测量精度低。现有公布的专利CN109115326A、CN108519145A、CN102519572A未采用共鸣管原理，无法完成大学物理中的声波共鸣实验。本发明既能完成声波共鸣实验原理，又解决测量速度慢、测量精度低、受人为因素影响的问题。
发明内容
为解决声速测量速度慢、误差大、受人为因素影响的问题，发明一种电子声速测定仪，该发明包括控制器（1）、扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）、压力传感器模块（5）、玻璃管（6）、塑料水杯（7）、胶管（8）、支架（9）和水位控制器（10）；扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）分别连接到控制器（1）；扬声器（2）、玻璃管（6）和塑料水杯（7）固定在支架（9）上；拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）上；水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上；
控制器（1）包括有主控器（11）、放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）；放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）分别与主控器（11）连接；温度传感器（4）、压力传感器模块（5）直接连接到主控器（11）；拾音器（3）连接到放大器（12）；扬声器（2）连接到功放（15）；
玻璃管（6）和塑料水杯（7）下端均有开孔，胶管（8）将玻璃管（6）和塑料水杯（7）的开孔连接起来形成连通器，塑料水杯（7）内加水后由胶管（8）可以流到玻璃管（6）中；
水位控制器（10）包括有活塞（101）、螺冒（102）和螺杆（103），水位控制器（10）的作用是推动活塞上移或下移，调节玻璃管（6）的水位高度稳定地变化，且液面不会产生波动，便于水位高度精确检测；
扬声器（2）安装在玻璃管（6）内的上端口处中间位置，有利用减小声波能量衰减；
拾音器（3）安装在玻璃管（6）上端口边缘处，有利于拾音器（3）提高拾音效果；
压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）下端，且压力传感器模块（5）可以感受到玻璃管（6）中水的高度变化引起的压力变化，并将压力变化转换为电压变化；采用高精度和高灵敏度传感器，有利于提高液位测量精度；温度传感器（4）安装在玻璃管（6）外壁中部，检测出声速的同时，检测出该声速对应的温度；
水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上端，活塞（101）放置在塑料水杯（7）内，与水杯内壁紧密配合不透水，且可上下移动；活塞（101）上有放气孔（104）；螺冒（102）固定在塑料水杯（7）上端，不可活动；螺杆（103）穿过螺冒（102），其上端固定有助力杆（105），下端固定在活塞（101）上，当螺杆（103）旋转时，可推动活塞（101）上移或下移，但活塞（101）不会旋转；即当螺杆（103）旋紧时，活塞（101）向下，玻璃管（6）内的水位上升，反之，玻璃管（6）内的水位下降。
该发明的有益之处是测量精度高、速度快，误差小，不受人为因素影响。
附图说明
图1为发明方框图，图2为结构示意图，图3为发明原理图，图4为拾音器放大电路原理图，图5为声波形驻波原理图，图6为水位控制器结构示意图；
其中，1为控制器、2为扬声器、3为拾音器、4为温度传感器、5为压力传感器模块、6为玻璃管、7为塑料水杯、8为胶管、9为支架。
11为主控器、12为放大器、13为显示器、14为按键、15为功放；
51为压力传感器、52为仪表放大器；
101为活塞，102为螺冒，103为螺杆，104为放气孔，105为助力杆。
具体实施方式
该装置包括控制器（1）、扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）、压力传感器模块（5）、玻璃管（6）、塑料水杯（7）、胶管（8）、支架（9）和水位控制器（10）；扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）分别连接到控制器（1）；扬声器（2）、玻璃管（6）和塑料水杯（7）固定在支架（9）上；拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）上；水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上；
控制器（1）包括有主控器（11）、放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）；放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）分别与主控器（11）连接；温度传感器（4）、压力传感器模块（5）直接连接到主控器（11）；拾音器（3）连接到放大器（12）；扬声器（2）连接到功放（15）；
玻璃管（6）和塑料水杯（7）下端均有开孔，胶管（8）将玻璃管（6）和塑料水杯（7）的开孔连接起来形成连通器，塑料水杯（7）内加水后由胶管（8）可以流到玻璃管（6）中；
水位控制器（10）包括有活塞（101）、螺冒（102）和螺杆（103），水位控制器（10）的作用是推动活塞上移或下移，调节玻璃管（6）的水位高度稳定地变化，且液面不会产生波动，便于水位高度精确检测；
扬声器（2）安装在玻璃管（6）内的上端口处中间位置，有利用减小声波能量衰减；
拾音器（3）安装在玻璃管（6）上端口边缘处，有利于拾音器（3）提高拾音效果；
压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）下端，且压力传感器模块（5）敏感区可以感受到玻璃管（6）内水的压力变化；采用高精度和高灵敏度传感器，有利于提高液位测量精度；
温度传感器（4）安装在玻璃管（6）外壁中部，检测出声速的同时，检测出该声速对应的温度；
水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上端，活塞（101）放置在塑料水杯（7）内，与水杯内壁紧密配合不透水，且可上下移动；活塞（101）上有放气孔（104）；螺冒（102）固定在塑料水杯（7）上端，不可活动；螺杆（103）穿过螺冒（102），其上端固定有助力杆（105），下端固定在活塞（101）上，当螺杆（103）旋转时，可推动活塞（101）上移或下移，但活塞（101）不会旋转；即当螺杆（103）旋紧时，活塞（101）向下，玻璃管（6）内的水位上升，反之，玻璃管（6）内的水位下降。
本实施例中，玻璃管（6）采用有机玻璃，内直径为3cm-5cm，长度为100cm，上端开口，下端用橡皮塞封口，橡皮塞开有两个孔，一个连接胶管（8），另一个连接压力传感器模块（5）；塑料水杯（7）上端开口，下端开有小孔用于连接胶管（8）；支架（9）有立杆和底座，底座放置在水平地面或桌面，立杆上用于固定扬声器（2）、玻璃管（6）和塑料水杯（7）。
本实施例中，电路部分结构为：
放大器（12）由Q1、R1、C1、R2、C2和R3构成单管放大电路，Q1采用型号为9014；R4为信号调节电阻，D1、C4、C5和R5为检波、滤波电路；由端口P1输出直流电压，电压大小随拾音器（3）拾取音量的大小而变化；
功放（15）由Q2和R7构成，Q2采用型号为9015；
按键（14）采用独立式按键，第一个按键为“清零”键，即清除显示数据，第二个按键是“开始/停止”键，第三个键为“选频”键；
主控器（11）采用单片机STC12C5204AD，该芯片外围有复位电路C6 和R6，晶振Y1；单片机STC12C5204AD的引脚6连接到功放（15），功放（15）连接到扬声器（2）；单片机STC12C5204AD的引脚7、8、9连接按键（14）；单片机STC12C5204AD的引脚13连接到放大器（12），即图3中的端口P2连接到图4中的端口P1；单片机STC12C5204AD的引脚11连接温度传感器（4）；单片机STC12C5204AD的引脚12连接压力传感器模块（5）的电压输出端；单片机STC12C5204AD的引脚14、15、16、17、18和19连接到显示器（13）；
进一步，单片机STC12C5204AD具有A/D转换功能，其引脚12、13具有A/D输入功能；压力传感器模块（5）检测到的玻璃管（6）的水压由引脚12输入单片机后转换成水位高度，并换算出空气柱长度；
进一步，单片机内部的A/D转换电路为10位-12位，分辨率达到0.001-0.00025；
进一步，主控器能产生340Hz、450 Hz、600 Hz的频率，或300Hz~600Hz，每次步进50Hz可调频率。
本实施例中，另有±5V电源提供给各部分电路。
本实施例中，扬声器（2）安装在玻璃管（6）的上端口处内部，声波向周围发射少，能量更集中，驻波效果更显示，或者说共鸣效果更好；
进一步，拾音器（3）拾取的声波信号经放大器（12）放大后，再进行检波和滤波成为直流电压，由端口P1输出，端口P2输入到单片机的引脚13，经单片机进行A/D转换后，由单片机判定声音的最大值和最小值，确定波腹与波节位置；
进一步，压力传感器模块（5）具有极高的灵敏度和精确度，能将水位高度产生的压强转换成电压信号，致使检测到水位高度精度高；压力传感器模块（5）中，压力传感器（51）采用型号26PCAFA2G，仪表放大器（52）采用INA128，其放大倍数可以由电阻R9调节；
进一步，拾音器（3）驻极体话筒，驻极体话筒灵敏度高，设计放大器（12）时将放大倍数调到足够高，拾音器（3）、放大器（12）和单片机的A/D转换配合，灵敏度和分辨率都极高，精确度高，能准确判定声波的波腹与波节；
进一步，压力传感器模块（5）和单片机的A/D转换配合，灵敏度和分辨率都极高，水位精度优于1mm。
本实施例中，温度传感器（4）采用数字温度传感器DS18B20，单片机直接读取DS18B20的数据值获得玻璃管（6）的管壁温度。
本实施例中，显示器（13）采用LCD1602，可以显示：空气温度、声波频率、声音值（声音大小）和水位高度。
发明的测量原理如图5所示，扬声器（2）的发射波与液面的反射波在玻璃管（6）内形成驻波，驻波的两个相邻波腹或两个相邻波节之间的长度，即为半波长λ/2；声速为波长与声波频率之间的乘积，即v=λf，式中：v为声速，λ为波长，f为声波频率。
声速测量操作过程是：首先按“清零”键，将显示的旧数据清除；第二按“选频”键，从频率340Hz、450 Hz、600 Hz中选择一种频率；再按“开始/停止”键，之后将塑料水杯（7）加入适量的水，缓慢调节塑料水杯（7）的高度，即调节玻璃管（6）的水位高度和空气柱长度，同时观察显示器中声音值是否达到最大值，如是，记录下此时显示器显示的水位高度值X，再缓慢改变塑料水杯（7）的高度，使显示器中声音值再次达到最大值，记录下此时显示器中的水位高度值Y，Y与X之差值为两个相邻的波腹长度，即为半波长，即声速=2 f（Y-X）。

Claims (9)

1.一种电子声速测定仪，其特征是包括控制器（1）、扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）、压力传感器模块（5）、玻璃管（6）、塑料水杯（7）、胶管（8）、支架（9）和水位控制器（10）；扬声器（2）、拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）分别连接到控制器（1）；扬声器（2）、玻璃管（6）和塑料水杯（7）固定在支架（9）上；拾音器（3）、温度传感器（4）和压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）上；水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上。
2.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是控制器（1）包括有主控器（11）、放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）；放大器（12）、显示器（13）、按键（14）、功放（15）分别与主控器（11）连接；温度传感器（4）、压力传感器模块（5）直接连接到主控器（11）；拾音器（3）连接到放大器（12）；扬声器（2）连接到功放（15）。
3.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是玻璃管（6）和塑料水杯（7）下端均有开孔，胶管（8）将玻璃管（6）和塑料水杯（7）的开孔连接起来形成连通器，塑料水杯（7）内加水后由胶管（8）可以流到玻璃管（6）中。
4.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是水位控制器（10）包括有活塞（101）、螺冒（102）和螺杆（103），水位控制器（10）的作用是推动活塞上移或下移，调节玻璃管（6）的水位高度稳定地变化，且液面不会产生波动，便于水位高度精确检测。
5.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是扬声器（2）安装在玻璃管（6）内的上端口处中间位置，有利用减小声波能量衰减。
6.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是拾音器（3）安装在玻璃管（6）上端口边缘处，有利于拾音器（3）提高拾音效果。
7.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是压力传感器模块（5）安装在玻璃管（6）下端，且压力传感器模块（5）可以感受到玻璃管（6）中水的高度变化引起的压力变化，并将压力变化转换为电压变化；采用高精度和高灵敏度传感器，有利于提高液位测量精度。
8.根据权利要求1所述的一种电子声速测定仪，其特征是温度传感器（4）安装在玻璃管（6）外壁中部，检测出声速的同时，检测出该声速对应的温度。
9.根据权利要求1或4所述的一种电子声速测定仪，其特征是水位控制器（10）安装在塑料水杯（7）上端，活塞（101）放置在塑料水杯（7）内，与水杯内壁紧密配合不透水，且可上下移动；活塞（101）上有放气孔（104）；螺冒（102）固定在塑料水杯（7）上端，不可活动；螺杆（103）穿过螺冒（102），其上端固定有助力杆（105），下端固定在活塞（101）上，当螺杆（103）旋转时，可推动活塞（101）上移或下移，但活塞（101）不会旋转；即当螺杆（103）旋紧时，活塞（101）向下，玻璃管（6）内的水位上升，反之，玻璃管（6）内的水位下降。
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