CN113252162A - 一种用于探究声速变化因素的方法及装置 - Google Patents

一种用于探究声速变化因素的方法及装置 Download PDF

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聂玉琦
覃伟健
李雯
张盟
李怡帆
盘英子
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Abstract

本发明公开了一种用于探究声速变化因素的装置，包括密封箱、超声波发射模块、超声波接收模块、线路收纳盒、控制按键、单片机、显示屏、传感器检测模块和调节模块，超声波发射模块和超声波接收模块分别设置于密封箱的两端，控制按键、单片机和显示屏均设置在线路收集盒上，传感器模块和调节模块均安置在密封箱上。本发明还提供一种用于探究声速变化因素的方法，通过固定超声波发射模块和超声波接收装置的距离，简单改变密封腔体内部的环境及传输介质，测量声速通过固定距离的时间得出声速测量结果，并将声速结果在显示屏上进行显示，以此实现用于探究声速变化因素的装置是一种具有可测量多种参数和介质，可处理实验数据的高效实验装置。

Description

一种用于探究声速变化因素的方法及装置
技术领域
本发明涉及物理实验仪器技术领域，尤其涉及一种用于探究声速变化因素的方法及装置。
背景技术
声速这一物理量是经典物理中是极为重要的一部分，声速的应用领域极其广阔。声速不仅在声学研究的自身方面是一个重要的基本参量，还在许多学科中得以应用。在实用技术方面的应用，更是多种多样，在无损检测、探伤、流体测速、定位、测距等声学检测领域中声速的测量尤为重要。
目前，大学物理实验中的声速测量方法主要有两种：驻波法(也叫共振干涉法)和相位比较法。但上述两种方法不能有效的测量多种参数和介质，并且对实验数据处理速率慢。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于探究声速变化因素的方法及装置，旨在解决现有技术中的声速测量方法不能有效的测量多种参数和介质，并且对实验数据处理速率慢的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的一种用于探究声速变化因素的装置，包括密封箱、超声波发射模块、超声波接收模块、线路收纳盒、控制按键、单片机、显示屏、用于检测温度、湿度和气压的传感器检测模块，以及用于控制温度、湿度和气压值变化的调节模块，所述密封箱的内部具有密封腔，所述超声波发射模块和所述超声波接收模块分别设置于所述密封箱的两端，所述控制按键、所述单片机和所述显示屏均设置在所述线路收集盒上，所述传感器模块和所述调节模块均安置在所述密封箱上，所述单片机分别与所述控制按键、所述传感器检测模块、所述超声波发射模块、所述超声波接收模块和所述显示屏电性连接。
其中，所述调节模块包括半导体制冷片和加热器，所述半导体制冷片和所述加热器分别与所述密封箱固定连接，所述半导体制冷片位于所述密封箱的顶部，所述加热器位于所述密封箱的底部。
其中，所述加热器的数量至少为一个，所述加热器为PTC陶瓷加热器。
其中，所述调节模块还包括加湿器和干燥器，所述加湿器和所述干燥器分别与所述密封箱固定连接，所述加湿器位于所述密封箱的顶部，所述干燥器位于所述密封箱的底部。
其中，所述调节模块还包括正压气泵和负压气泵，所述正压气泵和所述负压气泵分别通过导管与所述密封箱连通。
其中，所述传感器检测模块包括温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述密封箱固定连接，并位于所述密封箱的一侧。
其中，所述传感器检测模块还包括气压传感器，所述气压传感器分别与所述密封箱固定连接，并位于所述密封箱的一侧。
本发明还提供一种探究声速变化因素的方法，采用上述所述的用于探究声速变化因素的装置，包括如下步骤：
按下所述控制按键，选择实验研究参数，判断非实验研究参数是否达到设定值；若达到所述设定值，则启动控制实验研究参数的装置开始实验；若未达到所述设定值，则启动控制非实验研究参数的装置，调节所述密封腔内部的环境参数，直至达到所述设定值；
待控制实验研究参数的装置开始实验后，实时检测所述密封腔内部的环境参数是否稳定在所述设定值，若所述密封腔内非实验研究参数发生变化，则启动相应装置确保所述密封腔内非实验研究参数的稳定；
直至所述密封腔内非实验研究参数的稳定后，利用控制实验研究参数的装置调节实验研究参数值，利用所述传感器模块收集相应数据，并反馈相应数据至所述单片机经所述显示屏显示，同时将数据传输给计算机并使用MATLAB进行处理生成实验图像。
其中，在生成实验图像后，改变所述密封腔内部的介质环境，再次按下所述控制按键，选择实验研究参数，重复声速测量步骤，测量声速在不同介质环境中的变化因素。
本发明的有益效果体现在：通过固定所述超声波发射模块和所述超声波接收装置的距离，简单改变密封腔体内部的环境及传输介质，测量声速通过固定距离的时间得出声速测量结果，并将声速结果在所述显示屏上进行显示，以此实现所述用于探究声速变化因素的装置是一种具有可测量多种参数和介质，可处理实验数据的高效实验装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的用于探究声速变化因素的装置的结构框图。
图2是本发明的用于探究声速变化因素的装置的整体结构图。
图3是本发明的用于探究声速变化因素的装置的时序图。
图4是本发明的密封腔安置不同介质的示意图。
图5是本发明的用于探究声速变化因素的方法的步骤流程图。
1-密封箱、2-超声波发射模块、3-超声波接收模块、4-线路收纳盒、5-控制按键、6-单片机、7-显示屏、8-半导体制冷片、9-加热器、10-加湿器、11-干燥器、12-正压气泵、13-负压气泵、14-温湿度传感器、15-气压传感器、16-风扇。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
请参阅图1至图4，本发明提供了一种用于探究声速变化因素的装置，包括密封箱1、超声波发射模块2、超声波接收模块3、线路收纳盒4、控制按键5、单片机6、显示屏7、用于检测温度、湿度和气压的传感器检测模块，以及用于控制温度、湿度和气压值变化的调节模块，所述密封箱1的内部具有密封腔，所述超声波发射模块2和所述超声波接收模块3分别设置于所述密封箱1的两端，所述控制按键5、所述单片机6和所述显示屏7均设置在所述线路收集盒上，所述传感器模块和所述调节模块均安置在所述密封箱1上，所述单片机6分别与所述控制按键5、所述传感器检测模块、所述超声波发射模块2、所述超声波接收模块3和所述显示屏7电性连接。
在本实施方式中，所述超声波发射模块2和所述超声波接收模块3均采用HC-SR04超声波模块，所述超声波发射模块2和所述超声波接收模块3设置在所述密封箱1长度方向的两侧，所述控制按键5用于启闭所述调节模块。
例如当要探究气压对声速变化的影响时，具体测试过程为：操作者通过按下所述控制按键5悬着实验模式，选择实验研究参数，即选择气压对声速变化影响的模式参数，其中，按下所述控制按键5后，判断非实验研究参数是否达到设定值，即判断所述密封腔内的温度、湿度是否达到操作者设定值，若所述密封腔内的温度、湿度值通过所述传感器检测模块检测到达到设定值后，用户直接按下实验启动按键；若未达到设定值，则启动所述调节模块调节所述密封腔内的温度、湿度值达到设定值，再按下实验启动按键。在实验过程中，所述传感器检测模块不断检测所述密封腔的内部环境参数是否稳定在设定值，其中内部环境参数指的就是温度、湿度值，若所述密封腔内非实验研究参数发生变化，即所述温度和湿度值发生变化，则启动所述调节模块确保所述密封腔内非实验研究参数即温度和湿度值的稳定；直至所述密封腔内非实验研究参数的稳定后，利用所述调节模块调节实验研究参数值即调节所述气压值，并利用所述传感器模块收集在温度值、湿度值一定的情况下，气压值对声速的影响的数据，同时所述传感器模块开始反馈数据给所述单片机6显示至所述显示屏7上，且通过串口将数据传输给计算机并使用MATLAB进行处理生成实验图像。具体实现过程如图3所示。装置通过所述控制按键5向所述单片机6输入相应的控制信号，所述单片机6对所述传感器检测模块输出相应的工作信号，所述单片机6反馈相应的模拟信号，经过所述单片机6处理成数字信号显示至所述显示屏7；所述单片机6通过输出信号，通过驱动放大电流从而驱动调节环境参数的装置。
另外需要测量所述密封箱1内不同介质对声速的影响，具体操作为：将所述密封箱1设计为可拆卸的，可通过在所述超声波发射模块2和所述超声波接收模块3之间加装填充有操作者想研究介质的容器，如图4所示，填充弹性薄膜，从而使所述密封腔内部的测量环境由空气改为其他介质，可改变该介质的温度，研究该介质在不同温度下声速的变化情况。
此外在需要探究温度值对声速的影响时，只需按照上述步骤原理保持所述密封腔内的湿度和气压达到设定值，调节温度值，记录数据即可；在需要探究湿度值对声速的影响时，只需按照上述步骤原理保持所述密封腔内的温度和气压达到设定值，调节湿度值，记录数据即可。
本发明通过改变所述密封腔内的温度、湿度、压强的环境因素，测量声速在不同空气环境中的变化因素；实现可改变密封腔内部的介质环境，测量声速在不同介质环境中的变化因素；实现实验数据的实时显示、存储与处理，经过一轮环境参数的实验后可经过数据处理得出直观的数据图像。
综上所述本发明提出了一种具有可测量多种参数和介质、可处理实验数据的高效实验装置。通过按键控制相关实验模式，高度自动化地调整非研究变量是否达到设定值和改变研究变量的值，直观地将实验数据实时显示至所述显示屏7，通过串口将数据传输至计算机进行处理，高效地获得实验图像。通过简单调整机械结构并加装填充有相应研究介质的容器，可将研究对象不仅仅局限于空气。
进一步地，所述调节模块包括半导体制冷片8和加热器9，所述半导体制冷片8和所述加热器9分别与所述密封箱1固定连接，所述半导体制冷片8位于所述密封箱1的顶部，所述加热器9位于所述密封箱1的底部。所述加热器9的数量至少为一个，所述加热器9为PTC陶瓷加热器。
在本实施方式中，所述半导体制冷片8的数量至少为一个，且设置在所述密封箱1的顶部，所述半导体制冷片8的启动，用于降低所述密封腔内温度，所述加热器9为PTC陶瓷加热器，且设置在所述密封箱1的底部，所述加热器9能够提高所述密封腔内的温度。
进一步地，所述调节模块还包括加湿器10和干燥器11，所述加湿器10和所述干燥器11分别与所述密封箱1固定连接，所述加湿器10位于所述密封箱1的顶部，所述干燥器11位于所述密封箱1的底部。
在本实施方式中，所述加湿器10具体为超声波雾化器，所述加湿器10的启动能够增加所述密封腔内的湿度。所述干燥器11启动能够改善所述密封腔内的湿度，提升所述密封腔内的干燥度。
进一步地，所述调节模块还包括正压气泵12和负压气泵13，所述正压气泵12和所述负压气泵13分别通过导管与所述密封箱1连通。
在本实施方式中，所述正压气泵12通过导管与所述密封腔连通，所述负压气泵13通过导管与所述密封腔连通，所述正压气泵12和所述负压气泵13相互配合，能够调节所述密封腔内的气压值大小。
进一步地，所述传感器检测模块包括温湿度传感器14，所述温湿度传感器14与所述密封箱1固定连接，并位于所述密封箱1的一侧。所述传感器检测模块还包括气压传感器15，所述气压传感器15分别与所述密封箱1固定连接，并位于所述密封箱1的一侧。
在本实施方式中，所述温湿度传感器14使用DHT22温湿度模块，所述气压传感器15使用BMP388气压检测模块，所述温湿度传感器14用于检测所述密封腔内的温度值和湿度值，所述气压传感器15用于检测所述密封腔内的气压值。
进一步地，所述显示屏7为LCD显示屏或LED显示屏。
在本实施方式中，所述显示屏7在显示数据时可使用LCD显示屏或LED显示屏显示，其中优选LCD显示屏。
进一步地，所述用于探究声速变化因素的装置还包括风扇16，所述风扇16安置于所述密封箱1的内顶壁。
所述密封箱1由聚氯乙烯管体和保温棉组成，且所述保温棉位于所述聚氯乙烯管体的内壁。
在本实施方式中，所述风扇16的设置，能够使得所述密封腔内的环境更加均匀。所述密封箱1由聚氯乙烯管体和保温棉组成，所述保温棉起到保温隔热的作用。
请参阅图5，本发明还提供一种探究声速变化因素的方法，采用上述所述的用于探究声速变化因素的装置，包括如下步骤：
按下所述控制按键5，选择实验研究参数，判断非实验研究参数是否达到设定值；若达到所述设定值，则启动控制实验研究参数的装置开始实验；若未达到所述设定值，则启动控制非实验研究参数的装置，调节所述密封腔内部的环境参数，直至达到所述设定值；
待控制实验研究参数的装置开始实验后，实时检测所述密封腔内部的环境参数是否稳定在所述设定值，若所述密封腔内非实验研究参数发生变化，则启动相应装置确保所述密封腔内非实验研究参数的稳定；
直至所述密封腔内非实验研究参数的稳定后，利用控制实验研究参数的装置调节实验研究参数值，利用所述传感器模块收集相应数据，并反馈相应数据至所述单片机6经所述显示屏7显示，同时将数据传输给计算机并使用MATLAB进行处理生成实验图像。
在生成实验图像后，改变所述密封腔内部的介质环境，再次按下所述控制按键5，选择实验研究参数，重复声速测量步骤，测量声速在不同介质环境中的变化因素。
其中，例如当要探究气压对声速变化的影响时，具体测试过程为：操作者通过按下所述控制按键5悬着实验模式，选择实验研究参数，即选择气压对声速变化影响的模式参数，其中，按下所述控制按键5后，判断非实验研究参数是否达到设定值，即判断所述密封腔内的温度、湿度是否达到操作者设定值，若所述密封腔内的温度、湿度值通过所述传感器检测模块检测到达到设定值后，用户直接按下实验启动按键；若未达到设定值，则启动所述调节模块调节所述密封腔内的温度、湿度值达到设定值，再按下实验启动按键。在实验过程中，所述传感器检测模块不断检测所述密封腔的内部环境参数是否稳定在设定值，其中内部环境参数指的就是温度、湿度值，若所述密封腔内非实验研究参数发生变化，即所述温度和湿度值发生变化，则启动所述调节模块确保所述密封腔内非实验研究参数即温度和湿度值的稳定；直至所述密封腔内非实验研究参数的稳定后，利用所述调节模块调节实验研究参数值即调节所述气压值，并利用所述传感器模块收集在温度值、湿度值一定的情况下，气压值对声速的影响的数据，同时所述传感器模块开始反馈数据给所述单片机6显示至所述显示屏7上，且通过串口将数据传输给计算机并使用MATLAB进行处理生成实验图像。具体实现过程如图3所示。装置通过所述控制按键5向所述单片机6输入相应的控制信号，所述单片机6对所述传感器检测模块输出相应的工作信号，所述单片机6反馈相应的模拟信号，经过所述单片机6处理成数字信号显示至所述显示屏7；所述单片机6通过输出信号，通过驱动放大电流从而驱动调节环境参数的装置。
另外需要测量所述密封箱1内不同介质对声速的影响，具体操作为：将所述密封箱1设计为可拆卸的，可通过在所述超声波发射模块2和所述超声波接收模块3之间加装填充有操作者想研究介质的容器，如图4所示，填充弹性薄膜，从而使所述密封腔内部的测量环境由空气改为其他介质，可改变该介质的温度，研究该介质在不同温度下声速的变化情况。
此外在需要探究温度值对声速的影响时，只需按照上述步骤原理保持所述密封腔内的湿度和气压达到设定值，调节温度值，记录数据即可；在需要探究湿度值对声速的影响时，只需按照上述步骤原理保持所述密封腔内的温度和气压达到设定值，调节湿度值，记录数据即可。
另外按键选择触发中断检测环境参数原理：在硬件方面，控制按键5与STM32型号的单片机6的GPIO引脚进行连接；在软件方面，与控制按键5连接的STM32型号的单片机6的GPIO引脚输出高电平，并撰写中断函数。当按键按下，GPIO引脚产生下降沿，以此为进入中断函数的条件判断非研究变量的环境参数是否达到设定值。
启动调节环境参数的装置原理：通过STM32型号的单片机6的GPIO口输出高低电平控制启动或者关闭，并且通过驱动模块放大GPIO口的电流从而驱动相应装置启动。
实验过程中不断检测并调整环境参数的原理：该过程由程序的中断函数实现，具体流程如图5所示。
在所述LCD显示实验数据时，通过程序设置X、Y轴坐标，建立数据显示区域。由所述传感器检测模块检测传回至所述单片机6的数据，通过所述单片机6显示至LCD显示屏所设置的显示区域。
MATLAB数据处理生成实验图像：通过串口将数据实时传输给MATLAB，利用线性模型进行拟合得出数据图像。
假设直线型经验公式为：y＝ax+b，(xi，yi)为每次测量的实际数据，则其偏差ei为
ei＝yi-(axi+b) (1)
其中，xi为第i次所测量的环境参数；yi为第i次所测量的声速；i＝1,2,3,…,n为测量次数；ei为第i次所测量数据的偏差值，有正有负；a为所求线性回归方程的斜率，b为线性回归方程的y轴截距，a，b均为待确定参数。
总偏差e则为
Figure BDA0003035643060000091
总偏差e为所需确定参数a，b的函数，利用最小二乘法确定参数a，b。由极值必要条件，总偏差e分别对参数a，b求偏导，则可得
Figure BDA0003035643060000092
解出a，b的值如式(4)表达式
Figure BDA0003035643060000093
采用式(3)求出的a，b可以使总偏差e(a,b)达到最小，且有：
Figure BDA0003035643060000094
可以证明
Figure BDA0003035643060000095
又因为A＞0，于是根据极值的充分条件可知，由式(3)求得的a，b确实是总偏差e(a,b)的极小值，而且是唯一的极小值，因此也是最小值点。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
包括密封箱、超声波发射模块、超声波接收模块、线路收纳盒、控制按键、单片机、显示屏、用于检测温度、湿度和气压的传感器检测模块，以及用于控制温度、湿度和气压值变化的调节模块，所述密封箱的内部具有密封腔，所述超声波发射模块和所述超声波接收模块分别设置于所述密封箱的两端，所述控制按键、所述单片机和所述显示屏均设置在所述线路收集盒上，所述传感器模块和所述调节模块均安置在所述密封箱上，所述单片机分别与所述控制按键、所述传感器检测模块、所述超声波发射模块、所述超声波接收模块和所述显示屏电性连接。
2.如权利要求1所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述调节模块包括半导体制冷片和加热器，所述半导体制冷片和所述加热器分别与所述密封箱固定连接，所述半导体制冷片位于所述密封箱的顶部，所述加热器位于所述密封箱的底部。
3.如权利要求2所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述加热器的数量至少为一个，所述加热器为PTC陶瓷加热器。
4.如权利要求3所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述调节模块还包括加湿器和干燥器，所述加湿器和所述干燥器分别与所述密封箱固定连接，所述加湿器位于所述密封箱的顶部，所述干燥器位于所述密封箱的底部。
5.如权利要求4所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述调节模块还包括正压气泵和负压气泵，所述正压气泵和所述负压气泵分别通过导管与所述密封箱连通。
6.如权利要求5所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述传感器检测模块包括温湿度传感器，所述温湿度传感器与所述密封箱固定连接，并位于所述密封箱的一侧。
7.如权利要求6所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，
所述传感器检测模块还包括气压传感器，所述气压传感器分别与所述密封箱固定连接，并位于所述密封箱的一侧。
8.一种探究声速变化因素的方法，采用如权利要求7所述的用于探究声速变化因素的装置，其特征在于，包括如下步骤：
按下所述控制按键，选择实验研究参数，判断非实验研究参数是否达到设定值；若达到所述设定值，则启动控制实验研究参数的装置开始实验；若未达到所述设定值，则启动控制非实验研究参数的装置，调节所述密封腔内部的环境参数，直至达到所述设定值；
待控制实验研究参数的装置开始实验后，实时检测所述密封腔内部的环境参数是否稳定在所述设定值，若所述密封腔内非实验研究参数发生变化，则启动相应装置确保所述密封腔内非实验研究参数的稳定；
直至所述密封腔内非实验研究参数的稳定后，利用控制实验研究参数的装置调节实验研究参数值，利用所述传感器模块收集相应数据，并反馈相应数据至所述单片机经所述显示屏显示，同时将数据传输给计算机并使用MATLAB进行处理生成实验图像。
9.如权利要求8所述的用于探究声速变化因素的方法，其特征在于，
在生成实验图像后，改变所述密封腔内部的介质环境，再次按下所述控制按键，选择实验研究参数，重复声速测量步骤，测量声速在不同介质环境中的变化因素。
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