一种声速测量实验演示装置

1.本发明涉及教学用具领域，具体涉及到一种声速测量实验演示装置。


背景技术：

2.声速测量实验是大学基础教学重要内容之一，其应用广泛，有非常重要的应用价值。目前为了加强学生对于声速测量实验的理解，实验室配备了相应的实验器材，但是相位干涉法中示波器观察的李萨如图形、共振干涉法在确定驻波节点时图像较小，人的肉眼无法分辨极小的偏差，观察时造成的误差，会对声能探头的距离读数造成误差，以及确定最大振幅之后，肉眼读取两个最大振幅之间的距离存在误差。而在多次测量之后，误差不断增大，影响后续的一系列计算分析，鉴于此，提出了一种物理教学用声速测量实验演示装置。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种声速测量实验演示装置，通过函数信号发生器来输出电信号，与之相连接的压电陶瓷换能器能够实现声压与电压之间的转换，从而使声波发射器将电信号转化为声波信号向空气中发射，信号接收器把从空气中接收到的声波信号转化为电信号，通过电压传感器与位移传感器输出模拟量，连接到对应的通道，输入到科学工作站，通过专用线将数据传输至电脑，能够实现精确测量位移和电压改变量之间的关系，从而得到精确的声波波长，算出精确的声速。
4.技术方案
5.一种声速测量实验演示装置，包括计算机、科学工作站、函数信号发生器，所述函数信号发生器通过数据线连接有声波发射器，所述科学工作站通过数据线连接有信号接收器。
6.进一步的，所述声波发射器中设置有第一压电陶瓷换能器，所述声波发射器能够将所述函数信号发生器生成的正弦交变电压转换为声波信号，通过空气传播将声波信号传输至所述信号接收器。
7.进一步的，所述函数信号发生器用作正弦信号发生器，为所述声波发射器中的第一压电陶瓷换能器提供正弦交变电压，所述函数信号发生器将正弦交变电压通过数据线传输至所述声波发射器。
8.进一步的，所述信号接收器中设置有第二压电陶瓷换能器，将所述声波发射器生成并经过空气传播的声波信号转化为电信号，并传递给所述科学工作站。
9.进一步的，所述信号接收器上还设置有位移传感器与电压传感器，所述位移传感器由于采集到数据已被数字化，接入所述科学工作站面板左侧的一组数字量通道；所述电压传感器为模拟量传感器，经模拟量传感器的输出接头接入所述科学工作站面板中间的模拟量通道。
10.进一步的，所述科学工作站通过scsi专用线与所述计算机的scsi口连接，以完成所述科学工作站与所述计算机之间的数据传输。
11.进一步的，所述第一压电陶瓷换能器与所述第二压电陶瓷换能器采用现有产品。
12.进一步的，由波动理论可知，声波的传播速度ν与声波的频率f和波长λ之间的关系为：
13.ν＝fλ
14.声波的频率f可以由产生声波的所述函数信号发生器的振荡频率得出，波长可利用共振干涉法进行测量。
15.进一步的，所述共振干涉法测量波长λ的原理如下：
16.所述声波发射器所发出的频率为f的声波，经空气传播至所述信号接收器，所述信号接收器在接收声波信号的同时反射部分声波，若所述声波发射器的发射面与所述信号接收器的接收面平行时，入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波在一定条件下能够相互干涉形成驻波，移动所述信号接收器，改变所述信号接收器和所述声波发射器之间的距离，将会发现所述计算机所接收到电信号的波形振幅大小呈现周期性变化，根据波的理论可以证明，相邻两个最大振幅之间的距离即为半波长(λ/2)，当所述声波发射器和所述信号接收器之间的距离连续改变时，所述计算机显示的波形振幅的每一次周期性变化(最大
→
最小
→
最大)，就相当于所述声波发射器和所述信号接收器之间的距离改变了λ/2，测得此距离，即可得出声波的波长λ，由产生声波的函数信号发生器的振荡频率得出声波的频率f，即可用ν＝fλ计算出声速。
17.有益效果
18.与现有技术相比，本发明的有益效果：科学工作站可以记录声速测量实验中的电压和位移关系的数据，并且试验后可以通过比较前后数据，而得出波形振幅最大的位移，无需在实验过程中记录数据，保证了数据的准确性，同时，位移变化而电压基本不变的情况也能够避免，通过比较数据得出位移值，即可算得声速，运用科学工作站使实验数据更精确，帮助学生探索更接近于事实的结果。
附图说明
19.图1为本发明一种声速测量实验演示装置的结构示意图；
20.图2为两声波形成驻波的波形示意图；
21.图3为计算机界面显示电压波形随着声波发射器与信号接收器之间的距离的变化示意图。
22.附图标记
23.1声波发射器；2信号接收器；3函数信号发生器；4科学工作站；x声波发射器与信号接收器之间的距离。
具体实施方式
24.为更好说明本发明内容，下面结合附图进行展开说明：
25.由图1-3所示，本发明公开了一种声速测量实验演示装置，包括计算机、科学工作站4、函数信号发生器3，所述函数信号发生器3通过数据线连接有声波发射器1，所述科学工作站4通过数据线连接有信号接收器2。
26.进一步的，所述声波发射器1中设置有第一压电陶瓷换能器，所述声波发射器1能
够将所述函数信号发生器3生成的正弦交变电压转换为声波信号，通过空气传播将声波信号传输至所述信号接收器2。
27.进一步的，所述函数信号发生器3用作正弦信号发生器，为所述声波发射器1中的第一压电陶瓷换能器提供正弦交变电压，所述函数信号发生器3将正弦交变电压通过数据线传输至所述声波发射器1。
28.进一步的，所述信号接收器2中设置有第二压电陶瓷换能器，将所述声波发射器1生成并经过空气传播的声波信号转化为电信号，并传递给所述科学工作站4。
29.进一步的，所述信号接收器2上还设置有位移传感器与电压传感器，所述位移传感器由于采集到数据已被数字化，接入所述科学工作站4面板左侧的一组数字量通道；所述电压传感器为模拟量传感器，经模拟量传感器的输出接头接入所述科学工作站4面板中间的模拟量通道。
30.进一步的，所述科学工作站4通过scsi专用线与所述计算机的scsi口连接，以完成所述科学工作站4与所述计算机之间的数据传输。
31.进一步的，所述第一压电陶瓷换能器与所述第二压电陶瓷换能器采用现有产品。
32.进一步的，由波动理论可知，声波的传播速度ν与声波的频率f和波长λ之间的关系为：
33.ν＝fλ
34.声波的频率f可以由产生声波的所述函数信号发生器3的振荡频率得出，波长可利用共振干涉法进行测量。
35.进一步的，所述共振干涉法测量波长λ的原理如下：
36.所述声波发射器1所发出的频率为f的声波，经空气传播至所述信号接收器2，所述信号接收器2在接收声波信号的同时反射部分声波，若所述声波发射器1的发射面与所述信号接收器2的接收面平行时，入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射波在一定条件下能够相互干涉形成驻波，移动所述信号接收器2，改变所述信号接收器2和所述声波发射器1之间的距离，将会发现所述计算机所接收到电信号的波形振幅大小呈现周期性变化，根据波的理论可以证明，相邻两个最大振幅之间的距离即为半波长(λ/2)，当所述声波发射器1和所述信号接收器2之间的距离连续改变时，所述计算机显示的波形振幅的每一次周期性变化(最大
→
最小
→
最大)，就相当于所述声波发射器1和所述信号接收器2之间的距离改变了λ/2，测得此距离，即可得出声波的波长λ，由产生声波的函数信号发生器3的振荡频率得出声波的频率f，即可用ν＝fλ计算出声速。
37.具体的，进行测声速的实验时，操作如下：
38.步骤一，打开科学工作站4，将信号接收器2的输出接入科学工作站4；
39.步骤二，谐振频率调整：将函数信号发生器3的输出电压幅度调至8伏左右，频率调至给定压电陶瓷换能器的谐振频率，约为37khz，缓慢调节频率，使科学工作站4显示的波形振幅最大；
40.步骤三，将电压传感器经模拟量传感器的输出接头接入科学工作站4面板中间的模拟量通道，位移传感器由于采集到数据已被数字化，应接入科学工作站面板左侧的一组数字量通道，选择电压传感器的采样频率设置为50hz，测量项目选择“电压”；位移传感器测量方式选择“位置”，并通过计算机以图表的形式输出数据；
41.步骤四，将信号接收器2移动接近声波发射器1(注意不要接触)，再缓缓移动信号接收器2，可观察到计算机界面中出现正弦波形；
42.步骤五，由近而远改变信号接收器2的位置，可观察到正弦波形发生周期性的变化(如图3所示)；
43.步骤六，信号接收器2移动到末端时，结束测量，以表格形式输出数据，记下波形振幅最大的位置x1，x2，x3，
…
，x
10
。
44.步骤七，用逐差法计算出5组位移x，求得5组波长，再求出波长的平均值，即可用ν＝fλ计算出声速。
45.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明技术方案进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。