CN208781465U - 一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，属于教学实验领域，以解决现有空气中声速测量装置只能测量实验室环境中的声速值的问题。包括密闭容器、声波产生装置、温湿度传感器、气压传感器、电子控制装置，密闭容器包括金属圆桶、容器盖，金属圆桶与容器盖之间通过密封橡胶圈连接；金属圆桶带有夹套，金属圆桶的外壁设有与夹套相连通的充气阀门、第四导线、加湿阀门，容器盖上安装有第三导线、第二导线、第五导线、第二BNC信号线、第一BNC信号线，第二导线的一端连接温湿度传感器，第三导线的一端连接气压传感器；第二导线和第三导线的另一端分别连接电子控制装置。本实用新型结构简单，操作简便，测量数据精确度高。

Description

一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置

技术领域

本实用新型属于教学实验领域，特别涉及一种空气中声速测量实验装置。

背景技术

声速是描述声波在介质中传播特性的物理量，声音本质上是一种波。空气中声速测量实验是大学物理实验教学中一个综合性较强的内容，空气中声速测量常用的方法有共振干涉法和相位比较法。目前，最常用的空气中声速测量实验装置主要由压电陶瓷超声换能器向外发射超声波，另一只压电陶瓷超声换能器作为接收端，接收声音压强信号，波速、波长和频率之间存在着波速等于波长乘以频率的关系，因此可以通过测定声波的波长和频率来求得声速；但是，空气的温度、压强、湿度对声速也有影响，现有的空气中声速测量装置只能测量实验室环境中的声速值。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，以解决现有空气中声速测量装置只能测量实验室环境中的声速值的问题。

本实用新型采用以下技术方案：一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，包括密闭容器、声波产生装置、温湿度传感器、气压传感器、电子控制装置，

密闭容器包括金属圆桶、容器盖，金属圆桶与容器盖之间通过密封橡胶圈连接；

金属圆桶带有夹套，金属圆桶的外壁设有与夹套相连通的充气阀门、第四导线、加湿阀门，容器盖上安装有第三导线、第二导线、第五导线、第二BNC信号线、第一BNC信号线，第二导线的一端连接温湿度传感器，第三导线的一端连接气压传感器；第二导线和第三导线的另一端分别连接电子控制装置；声波产生装置包括声速测量仪、联轴器、电动机、接线柱，联轴器一端安装在声速测量仪移动声波发射端的螺杆上，联轴器另一端安装在电动机上，声速测量仪的发射端与第二BNC信号线连接，声速测量仪的接收端与第一BNC信号线连接；第五导线与电动机上的接线柱连接。

进一步地，它还包括制冷装置，制冷装置包括上散热片、半导体制冷片、下散热片、风扇，上散热片位于半导体制冷片的上方，下散热片位于半导体制冷片的下方，风扇上连接有第一导线，半导体制冷片上连接有第六导线；下散热片穿过容器盖的方形开口，使半导体制冷片固定在容器盖上的有机玻璃圆盘上。

进一步地，电子控制装置包括显示屏、单片机、电源，温湿度传感器通过第二导线与单片机连接，气压传感器通过第三导线与单片机连接。

进一步地，它还包括电动机转速控制电路，电动机转速控制电路包括电位器、单刀双掷开关、导线、场效应管、电源，电动机的一端与单刀双掷开关相连，电动机的另一端与场效应管相连，场效应管的另一端与电位器和电源连接，单刀双掷开关的另一端与电位器和电源连接。

进一步地，金属圆桶的底部设有夹层，夹层内设有加热管。

进一步地，金属圆桶的下方设有与排水阀门。

进一步地，金属圆桶的内桶直径不小于70cm，金属圆桶的外径不小于74cm。

进一步地，有机玻璃圆盘直径不小于30cm。

进一步地，方形开口的边长为40mm。

本实用新型能够模拟空气中的不同温度、压强、湿度下声速测量装置，从而体现空气中的温度、压强、湿度对声速值的影响。该实验装置可通过电路对电机转速进行控制，从而保证了两个压电陶瓷超声换能器间的距离均匀变化避免由于手摇而引起的振动的影响；双层结构金属圆筒设计使得两层之间可加入较多水量，水浴加热使得温度降低缓慢；采用温湿度传感器、气压传感器便于直观读数和提高测量精度。

本实用新型拓展了对空气中声速值影响的因素，便于学生更全面的理解对空气中声速值影响因素，该装置结构简单，操作简便，测量数据精确度高。用于物理教学中的力学实验装置。

附图说明

图1是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置的装配图；

图2是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置中声波产生装置的后视图；

图3是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置中制冷装置的结构示意图；

图4是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置中带有传感器的电子控制装置结构示意图；

图5是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置中电动机转速控制电路图；

图6是一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置中金属圆桶的结构示意图。

附图标记含义如下：风扇（1）；第一导线（2）；上散热片（3）；半导体制冷片（4）；下散热片（5）；方形开口（6）；有机玻璃圆盘（7）；容器盖（8）；第二导线（9）；第三导线（10）；气压传感器（11）；温湿度传感器（12）；联轴器（13）；电动机（14）；支架（15）；密封橡胶圈（16）；充气阀门（17）；金属圆桶（18）；排水阀门（19）；第四导线（20）；加湿阀门（21）；注水漏斗（22）；声速测量仪（23）；第一BNC信号线（24）；第二BNC信号线（25）；第五导线（26）；固定螺杆（27）；接收端（28）；发射端（29）；接线柱（30）；固定螺母（31）；加热管（32）；第六导线（33）；电位器（34）；单刀双掷开关（35）；导线（36）；场效应管（37）；单片机（38）；显示屏（39）；电源（40）；夹套（181）；夹层（182）。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步详细的说明。

如图所示，一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：包括密闭容器、声波产生装置、温湿度传感器12、气压传感器11、电子控制装置，

密闭容器包括金属圆桶18、容器盖8，金属圆桶18与容器盖8之间通过密封橡胶圈16连接；金属圆桶18带有夹套181，金属圆桶18的外壁设有与夹套181相连通的充气阀门17、第四导线20、加湿阀门21，金属圆桶18外面安装注水漏斗22直达夹套181内，容器盖8上安装有第三导线10、第二导线9、第五导线26、第二BNC信号线25、第一BNC信号线24，第二导线9的一端连接温湿度传感器12，第三导线10的一端连接气压传感器11；第二导线9和第三导线10的另一端分别连接电子控制装置，声波产生装置位于金属圆桶18内。

图6示出了密闭容器装置的结构，金属圆桶18的底部设有夹层182，夹层182内设有加热管32。金属圆桶18的下方设有与排水阀门19。金属圆桶18的内桶直径不小于70cm，金属圆桶18的外径不小于74cm，高为40cm。有机玻璃圆盘7的直径不小于30cm。方形开口6的边长为40mm。

图2示出了声波产生装置的结构示意图；是对现有SW-T声速测量仪23的改进，声波产生装置包括声速测量仪23、联轴器13、电动机14、接线柱30，

联轴器13一端安装在声速测量仪23移动声波发射端的螺杆上，联轴器13另一端安装在电动机14上，声速测量仪23的发射端29与第二BNC信号线25连接， SW-T声速测量仪23的接收端28与第一BNC信号线24连接；第五导线26与电动机14上的接线柱30连接。电动机14安装在支架15上，支架15用固定螺母31安装在SW-T声速测量仪23一端；联轴器13的作用将把电动机14和SW-T声速测量仪23螺杆相连，从而通过电动机的转动，改变声波发射端和接受端的距离。

如图3示出了制冷装置的结构，制冷装置包括上散热片3、半导体制冷片4、下散热片5、风扇1，上散热片3位于半导体制冷片4的上方，下散热片5位于半导体制冷片4的下方，通过散热硅脂粘贴；风扇1通过固定螺杆27安装在上散热片3上，风扇1上连接有第一导线2，半导体制冷片4上连接有第六导线33；下散热片5穿过容器盖8的方形开口6，使半导体制冷片4固定在容器盖8上的有机玻璃圆盘7上。制冷装置的作用是降低金属圆桶18内空气的温度从而模拟比实验室环境温度低的空气环境。

图4示出了电子控制装置的结构，电子控制装置包括显示屏39、单片机38、电源40，温湿度传感器12通过第二导线9与单片机38连接，气压传感器11通过第三导线10与单片机38连接。单片机38用导线与显示屏39连接，单片机38和显示屏39用导线与电源40连接。

图5示出了电动机转速控制电路的结构，电动机转速控制电路包括电位器34、单刀双掷开关35、导线36、场效应管37、电源40，电动机14的一端与单刀双掷开关35相连，电动机14的另一端与场效应管37相连，场效应管37的另一端通过导线36与电位器34和电源40连接，单刀双掷开关35的另一端与电位器34和电源40连接。

实施说明：以增大压强、升高温度和湿度测量空气中声速值为例。SW-T声速测量仪购于长春市长城教学仪器有限公司，SW-T声速测量仪上具有移动声波发射端。加热管为圆形，功率800W。电动机为GA12-N20型，电位器为100KΩ, 场效应管37为IRFZ44，支架为T型支架。显示屏采用lcd12864、单片机采用STC89C52RC 401-PDIP40，电源为DC5V，温湿度传感器采用DHT11，气压传感器采用BMP180。半导体制冷片采用TECI-12706,风扇为直流12V。上述产品均为现有产品。

实施过程如下：

A.将密封橡胶圈16套在金属圆桶18口上， SW-T声速测量仪23放置在金属圆桶18内，容器盖8上设有透明有机玻璃圆盘7，有机玻璃圆盘7中心位置设有方形开口6，穿过透明有机玻璃圆盘7安装有第三导线10、第二导线9、第五导线26、第二BNC信号线25、第一BNC信号线24，第二BNC信号线25、第一BNC信号线24分别与SW-T声速测量仪23的发射端29和接收端28连接，第五导线26一端与电动机14上的接线柱30连接，密闭容器盖子盖在金属圆桶18口上。

B.第四导线20接220V电压，加湿阀门21用橡胶软管接加湿器，加湿阀门21用橡胶软管接抽气打气两用气筒。

C. 第二BNC信号线25的另一端连接函数信号发生器，第一BNC信号线24另一端连接示波器，风扇1的第一导线2连接12V直流电源，半导体制冷片4上的第六导线33连接12V直流电源，第五导线26另一端与电动机14的A和B点连接（如图5所示）。

D.带有传感器的电子控制装置如图4所示连接。

E.电动机转速控制电路如图5连接。

F.开启函数信号发生器和示波器，调节函数信号发生器输出频率，使接收端28有较大信号输出。

G.通过注水漏斗22向金属圆桶18夹层注满水，给带有传感器的电子控制装置接通5V直流电源，给加热管32通电220V,打开加湿阀门21启动加湿器给金属圆桶18内增大湿度，打开充气阀门17通过抽气打气两用气筒给金属圆桶18内注入空气增大压强。

H. 观察带有传感器的电子控制装置的显示屏39，当温度、压强和湿度达到所需条件时断开给加热管32的220V电压，关闭加湿阀门21，切断加湿器电源，关闭充气阀门17，停止向金属圆桶18内注入空气。

I.打开电动机转速控制电路开关，闭合单刀双掷开关35，转动电位器34控制电动机转速以便观察示波器上接收端28波形变化。

J.通过透明有机玻璃圆盘7读取不同时刻SW-T声速测量仪23上两个压电陶瓷超声换能器间的距离。

Claims (9)

1.一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：包括密闭容器、声波产生装置、温湿度传感器（12）、气压传感器（11）、电子控制装置，密闭容器包括金属圆桶（18）、容器盖（8），金属圆桶（18）与容器盖（8）之间通过密封橡胶圈（16）连接；金属圆桶（18）带有夹套（181），金属圆桶（18）的外壁设有与夹套（181）相连通的充气阀门（17）、第四导线（20）、加湿阀门（21），容器盖（8）上安装有第三导线（10）、第二导线（9）、第五导线（26）、第二BNC信号线（25）、第一BNC信号线（24），第二导线（9）的一端连接温湿度传感器（12），第三导线（10）的一端连接气压传感器（11）；第二导线（9）和第三导线（10）的另一端分别连接电子控制装置；声波产生装置位于金属圆桶（18）内，声波产生装置包括声速测量仪（23）、联轴器（13）、电动机（14）、接线柱（30），联轴器（13）一端安装在声速测量仪（23）移动声波发射端的螺杆上，联轴器（13）另一端安装在电动机（14）上，声速测量仪（23）的发射端（29）与第二BNC信号线（25）连接，声速测量仪（23）的接收端（28）与第一BNC信号线（24）连接；第五导线（26）与电动机（14）上的接线柱（30）连接。

2.根据权利要求1所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：它还包括制冷装置，制冷装置包括上散热片（3）、半导体制冷片（4）、下散热片（5）、风扇（1），上散热片（3）位于半导体制冷片（4）的上方，下散热片（5）位于半导体制冷片（4）的下方，风扇（1）上连接有第一导线（2），半导体制冷片（4）上连接有第六导线（33）；下散热片（5）穿过容器盖（8）的方形开口（6），使半导体制冷片（4）固定在容器盖（8）上的有机玻璃圆盘（7）上。

3.根据权利要求1或2所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：电子控制装置包括显示屏（39）、单片机（38）、电源（40），温湿度传感器（12）通过第二导线（9）与单片机（38）连接，气压传感器（11）通过第三导线（10）与单片机（38）连接。

4.根据权利要求3所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：它还包括电动机转速控制电路，电动机转速控制电路包括电位器（34）、单刀双掷开关（35）、导线（36）、场效应管（37）、电源（40），电动机（14）的一端与单刀双掷开关（35）相连，电动机（14）的另一端与场效应管（37）相连，场效应管（37）的另一端与电位器（34）和电源（40）连接，单刀双掷开关（35）的另一端与电位器（34）和电源（40）连接。

5.根据权利要求4所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：金属圆桶（18）的底部设有夹层（182），夹层（182）内设有加热管（32）。

6.根据权利要求5所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：金属圆桶（18）的下方设有与排水阀门（19）。

7.根据权利要求6所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：金属圆桶（18）的内桶直径不小于70cm，金属圆桶（18）的外径不小于74cm。

8.根据权利要求7所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：有机玻璃圆盘（7）的直径不小于30cm。

9.根据权利要求8所述的一种模拟不同空气环境下测量声速的实验装置，其特征在于：方形开口（6）的边长为40mm。