专利名称：固体音频声速测量实验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种研究声波在固体材料中转播速度的实验装置，用于大学普通物理实验，中学物理实验及演示。
背景技术：
声波是一种需在弹性媒质中传播的机械波。
弹性媒质中传播的平面纵波的波速(v)与介质的密度(ρ)和杨氏弹性模量(E)的关系如下v=E/ρ]]>声波在不同媒质中的波速不同。固体材料中传播速度快于空气数倍至十几倍(不同材料之差异)，例如空气(15℃)中声速约340米/秒，铝棒中声速约5150米/秒。空气中声速的测量是根据声速(v)与频率(f)及波长(λ)的关系v＝f·λ(米/秒)常用“驻波法”，“相位法”测量。
而固体中声速的测量则根据声波在固体中传播存在时间差异，即声波在介质中传播，经一段时间(Δt)，到达距震源一段距离(ΔL)处，由此可以知道波速(v)为v＝ΔL/Δt(米/秒)此法称“时差法”。
用“驻波法”和“相位法”测量声速，用示波器测量驻波的峰、谷或波与波之间的相位，读数误差很大，且不稳定。
而用“时差法”比较准确和直观，但具体应用，有一定难度。
例如国外一公司演示实验装置，采用手持小铁棒敲击长铁棒一端产生振动，开始计时，声波传至紧贴长铁棒另一端的话筒后，停止计时，显示“时差”，由于敲击轻重、位置不同，声波在长铁棒中的反射波强度和持续时间不同，干扰正确测量，所测数据误差很大。
发明内容
本发明目的是针对现有技术测量的误差大，提供一种能较正确测量固体音频声速的实验装置。
本发明提供固体音频声速测量实验装置，采用“时差法”。
由固体棒，固体棒支架，压电换能器，切换开关组，测量盒，移动测量夹组成。测量对象固体棒两端分别固定压电换能器，压电换能器分别连接至切换开关组，切换开关组与由时间显示器，光耦器，信号处理单元，测量、复位按钮和单片微机组成的测量盒联接。将切换开关组中一个开关合上，按测量按钮，单片微机产生单个脉冲并启动计时，单个脉冲经光耦器驱动固定在固体棒一端的压电换能器，产生音频振动，经固体棒传播至固定于另一端的压电换能器，使之产生电压，经信号处理单元进行放大，整形成矩形脉冲经光耦器送单片微机，使之停止计时并显示音频振动在固体棒材中传播时间，即时间显示器显示所计“时差”，通过公式v＝ΔL/Δt计算即可正确测量固体音频声速。按复位按钮，可使单片微机复位。
本发明的有益效果是，采用单片微机控制产生单个音频脉冲来测量“时差”，避免固体中反射波所产生干扰，测量误差较小且重复性好。通过切换开关组可方便切换不同材料同长度的固体棒材进行测量，装置结构简单。
图1本发明固体音频声速测量实验装置示意框2切换开关组示意3测量盒电原理4移动测量夹示意图在图中，固体棒(1)，支架(4)，压电换能器(2)(3)，切换开关组(5)，测量盒(6)，移动测量夹(7)以下结合附图对本发明内容作详细说明具体实施方式
参见图1，一种固体音频声速测量实验装置，由固体棒(1)，固体棒支架(4)，压电换能器(2)(3)，切换开关组(5)，测量盒(6)，移动测量夹(7)组成。参见图2，切换开关组(5)由四个双刀双掷互锁开关(K1-4)，单刀双掷开关(K5)组成。参见图3，测量盒(6)由单片微机(IC3)，时间显示器(D1-5)，显示驱动(IC5)，光耦器(P1-2)，信号处理单元(IC2-3)，测量、复位按钮(AN1-2)和稳压电路(IC4)组成。参见图4，移动测量夹(7)由圆弧弹簧钢夹(8)、开口手柄(9)和压电换能器(10)组成。
其特征是固体棒1放置在支架(4)上，其两端分别固定压电换能器(2)(3)，选切换开关组(5)中一个开关合上(例如K1)，按测量按钮(AN1)，单片微机(IC3)产生单个脉冲并启动计时，单个脉冲经光耦器(P2)及切换开关组(5)驱动固定在固体棒(1)一端的压电换能器(2)，产生音频振动，经固体棒(1)传播至固定于另一端的压电换能器(3)，使之产生电压，经信号处理单元(IC2-3)进行放大、整形成矩形脉冲经光耦器(P1)送单片微机(IC3)，使之停止计时并在时间显示器(D1-5)上显示音频振动在固体棒材中传播时间，时间显示器显示所计“时差”，通过公式v＝ΔL/Δt计算即可正确测量固体音频声速。选切换开关组(5)的双刀双掷互锁开关(K1-4)可切换不同材料(例如铁、铜、铝、塑料)固体棒(1)进行测量。若按下单刀双掷开关(K5)，捏住开口手柄(9)使圆弧弹簧钢夹(8)从固体棒(1)上松开，可使移动测量夹(7)在固体棒(1)上移动至任一位置(不同长度)，定位紧夹后进行测量。此时压电换能器(10)取代压电换能器(3)联接测量盒。
稳压电路(IC4)提供测量盒(6)各电路稳定直流电源。
权利要求
1.一种固体音频声速测量实验装置，由固体棒，支架，压电换能器，切换开关组，测量盒，移动测量夹组成，其特征是放置在支架(4)上固体棒(1)两端分别固定压电换能器(2)(3)，切换开关组(5)中一个开关合上，按测量按钮(AN1)，单片微机(IC3)产生单个脉冲并启动计时，单个脉冲经光耦器(P2)及切换开关组(5)驱动固定在固体棒(1)一端的压电换能器(2)，产生音频振动，经固体棒(1)传播至固定于另一端的压电换能器(3)，使之产生电压，经信号处理单元(IC2-3)进行放大、整形成矩形脉冲经光耦器(P1)送单片微机(IC3)，使之停止计时并在时间显示器(D1-5)上显示音频振动在固体棒材中传播时间。
2.根据权利要求1所述固体音频声速测量实验装置，其特征是切换开关组(5)由四个双刀双掷互锁开关(K1-4)，单刀双掷开关(K5)组成，可切换包括铁、铜、铝、塑料不同材料的固体棒(1)进行测量。
3.根据权利要求1所述固体音频声速测量实验装置，其特征是切换开关组(5)的单刀双掷开关(K5)，连接移动测量夹(7)，可在固体棒(1)上任意位置行测量。
4.根据权利要求3所述固体音频声速测量实验装置，其特征是移动测量夹(7)由圆弧弹簧钢夹(8)、开口手柄(9)和压电换能器(10)组成，在固体棒上移动，可实现任意位置长度的测量。
全文摘要
一种固体音频声速测量实验装置，由固体棒，支架，压电换能器，切换开关组，测量盒，移动测量夹组成。其特征是放置在支架上固体棒两端分别固定压电换能器，选合切换开关组中一个开关，按测量按钮，单片微机产生单个脉冲并启动计时，单脉冲经光耦器驱动固体棒一端的压电换能器产生音频振动，经固体棒传播至另一端的压电换能器产生电压，经放大、整形成脉冲经光耦器送单片微机，使之停止计时并在时间显示器上显示音频振动在固体棒材中传播时间。切换开关组可切换不同材料固体棒进行测量。也可用移动测量夹在固体棒上任意位置进行测量。用于大学普通物理实验、中学物理实验及演示。
文档编号G09B23/00GK1731111SQ200510060
公开日2006年2月8日 申请日期2005年8月29日 优先权日2005年8月29日
发明者周小风, 鲍德松, 杨慧 申请人:浙江大学