基于共鸣管法的新型声速测量装置的制作方法

本实用新型涉及声速研究技术领域，尤其涉及一种基于共鸣管法的新型声速测量装置。

背景技术：

声速是描述声波在媒质中传播特性的重要基本量，与媒质的特性及状态等因素有关。通过媒质中声速的测量，可以了解被测媒质的特性或状态变化。因而，声速测量有非常广泛的应用，如无损检测、测距和定位、测气体温度的瞬间变化、测液体的流速、测材料的弹性模量、声速的测量来预测海啸等自然灾害，使人类及早避开以减少损失等。

所以准确测量声速具有非常重要的意义，声速测量最基本的方法为共鸣管法测量，共鸣管法测量声速也是声速研究中较为重要的实验之一。传统的共鸣管法测量声速装置具有以下缺点：

一、管内水面位置极不易控制。由于实验是操作者手持蓄水桶上下升降来调节共鸣管内水位，操作者的手容易出现疲劳，出现抖动，导致共鸣管内水面晃动严重，影响空气柱长度的准确测量，进而容易出现较大的误差。

二、依靠实验者的听觉来判断共鸣点相当困难。操作者在听的同时还要调节空气柱长度，需要手、脑、眼高度协调，因此实验失误几率大。

三、音叉振动发出的声波会随时间衰减，所以实验中还需要用橡皮锤不断地敲击音叉，使其声波不断发出，这种方法使产生声波的极不稳定。

四、在理论上，共鸣最强时，管口处为驻波的波腹，但通过目前使用的实验装置测出波腹位置高出管口，因而也导致声速测量的误差很大。

五、目前使用的实验装置上均没有温度调节装置，只能测量声速但不能研究温度对声速的影响，功能单一，不能满足实际要求。

由此可见，目前的实验装置具体方法操作较为繁琐，操作者在实验时需要兼顾的注意事项太多，若要提高实验价格，需多名操作人员配合才能完成。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种管内水面升降稳定，有助于减少实验误差，提高检测的数据精度的基于共鸣管法的新型声速测量装置。

为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：基于共鸣管法的新型声速测量装置，包括至少前侧设置为透明结构的测量箱体，所述测量箱体内封装有支撑架，所述支撑架上限位固定有竖直设置的共鸣管，所述共鸣管通过供水软管连通有蓄水箱，所述蓄水箱连接有水箱升降调节装置，所述共鸣管的管口处布置设有水位检测装置、扬声器和动圈式话筒，所述测量箱体外壳上嵌装有分别与所述扬声器和所述动圈式话筒对应连接的外接端口，所述测量箱体内还设有测量调温装置，所述测量箱体外壳上嵌装有测量控制装置，所述水位检测装置和所述测量调温装置分别连接至所述测量控制装置。

作为优选的技术方案，所述水箱升降调节装置包括所述支撑架侧部转动安装的调节丝杠，所述调节丝杠传动连接有减速电机，所述减速电机信号连接至所述测量控制装置，所述调节丝杠上螺纹套装有调节螺套，且所述调节螺套滑动套装于所述支撑架的外周，所述蓄水箱固定连接在所述调节螺套上。

作为优选的技术方案，所述水箱升降调节装置包括固定安装于所述测量箱体内的升降叉台，所述蓄水箱固定在所述升降叉台的顶端，所述升降叉台上连接有升降调节手柄，所述升降调节手柄延伸至所述测量箱体的外侧，所述测量箱体上设有便于所述升降调节手柄操作的调节过孔。

作为优选的技术方案，所述水位检测装置包括设于所述共鸣管管口上方的激光测距器，所述共鸣管内的水面上设有与所述激光测距器配合使用的激光反射片，所述激光测距器连接至所述测量控制装置。

作为优选的技术方案，所述测量调温装置包括设于所述测量箱体顶端的温度传感器，所述温度传感器连接至所述测量控制装置，所述测量控制装置还连接有电加热管，所述电加热管布置于所述测量箱体内。

作为对上述技术方案的改进，所述测量控制装置包括嵌装于所述测量箱体上的单片机，所述单片机信号连接有显示屏。

由于采用了上述技术方案，基于共鸣管法的新型声速测量装置，包括至少前侧设置为透明结构的测量箱体，所述测量箱体内封装有支撑架，所述支撑架上限位固定有竖直设置的共鸣管，所述共鸣管通过供水软管连通有蓄水箱，所述蓄水箱连接有水箱升降调节装置，所述共鸣管的管口处布置设有水位检测装置、扬声器和动圈式话筒，所述测量箱体外壳上嵌装有分别与所述扬声器和所述动圈式话筒对应连接的外接端口，所述测量箱体内还设有测量调温装置，所述测量箱体外壳上嵌装有测量控制装置，所述水位检测装置和所述测量调温装置分别连接至所述测量控制装置；本实用新型的有益效果是：通过水箱升降调节装置可以平稳的升降蓄水箱，使共鸣管内水面平稳上升或下降，不会产生波动，与水位检测装置配合，可以准确地检测空气柱的长度，通过扬声器可以提供平稳不衰减的声音信号，测量调温装置和测量控制装置可以改变测量箱体内的温度，从而测量温度对声速的影响，实现声速测量的功能拓展，且各部分配合后，测量的声速更加准确，测量过程中仅一位操作人员即可完成，操作简单，使用省力。

附图说明

以下附图仅旨在于对本实用新型做示意性说明和解释，并不限定本实用新型的范围。其中：

图1是本实用新型实施例一的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二的结构示意图；

图中：1-测量箱体；2-支撑架；3-共鸣管；4-供水软管；5-蓄水箱；6-调节丝杠；7-减速电机；8-调节螺套；9-扬声器；10-动圈式话筒；11-外接端口；12-信号发生器；13-示波器；14-激光测距器；15-激光反射片；16-单片机；17-温度传感器；18-电加热管；19-升降叉台；20-升降调节手柄；21-升降叉架；22-连动杆；23-调节过孔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本实用新型。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本实用新型的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本实用新型的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

实施例一：

如图1所示，基于共鸣管法的新型声速测量装置，包括至少前侧设置为透明结构的测量箱体1，便于观察内部器件。所述测量箱体1内封装有支撑架2，所述支撑架2上限位固定有竖直设置的共鸣管3，所述共鸣管3是一个直立并带有刻度的透明玻璃管，所述共鸣管3通过供水软管4连通有蓄水箱5，通过所述蓄水箱5可以改变所述共鸣管3内水面的高度，达到调整所述共鸣管3内空气柱长度的目的。利用所述共鸣管3测量测声速的原理为：

移动所述蓄水箱5可以使所述共鸣管3中的水位升降，从而获得一定长度的空气柱，声波沿空气柱传播至所述共鸣管3内的水面上发生反射，入射波与反射波在空气柱中干涉，调节空气柱的长度L，当其与波长λ满足：

此时，将在所述共鸣管3的管口处形成波腹、水面处为波节的驻波，声音最响，即产生共鸣。设相邻两次共鸣空气柱的长度差为ΔL，则：

而λ＝2ΔL，若声波频率(即声源频率)为f，其波长λ和波速v之间的关系是v＝λf，代入上式得v＝2ΔLf；

由此说明，在f已知的情况下，只要测出ΔL，便可求出声波在空气中的传播速度v，改变不同频率的声源，可观测v是否变化。

所述蓄水箱5连接有水箱升降调节装置。具体的，所述水箱升降调节装置包括所述支撑架2侧部转动安装的调节丝杠6，所述调节丝杠6传动连接有减速电机7，所述调节丝杠6上螺纹套装有调节螺套8，且所述调节螺套8滑动套装于所述支撑架2的外周，所述蓄水箱5固定连接在所述调节螺套8上。通过所述减速电机7可以带动所述调节螺套8缓慢上升或下降，最终实现所述蓄水箱5的高度调节，进而平稳调节所述共鸣管3内水面的高度，使所述共鸣管3内的水面产生零晃动，从而提高所述共鸣管3内空气柱长度的测量精度。相对于手持所述蓄水箱5的调整方法，该装置比较简单，结构性能稳定。

在所述共鸣管3的管口处还布置设有水位检测装置、扬声器9和动圈式话筒10，所述水位检测装置和所述扬声器9需要设于所述共鸣管3的管口的正上方，所述动圈式话筒10可设于所述共鸣管3的侧部，所述测量箱体1外壳上嵌装有分别与所述扬声器9和所述动圈式话筒10对应连接的外接端口11。所述扬声器9通过所述外接端口11可以与外置的信号发生器12连接，所述信号发生器12输出信号连接音频功放模块，完成信号性质转换，信号传输给所述扬声器9作为声源，向所述共鸣管3内发射连续稳定的声波，并可以改变信号参数来改变声波的频率特性。通过该结构，改善了传统装置中音叉振动发出的声波随时间的衰减的缺陷，解决了操作者要不时地敲击音叉的繁琐性，增强了声波的稳定性，进而简化了实验操作。

所述动圈式话筒10通过所述外接端口11可以与外置的示波器13。所述动圈式话筒10检测到所述共鸣管3管口处的声音，并把机械能(音膜振动)转化为电能，并产生音频电流，输出至所述示波器13，所述示波器13内设有信号放大电路，所述示波器13通过波形的分析，判断出共鸣最强时水面所处位置。鉴于所述共鸣管3的管口的大小，所述扬声器9和所述动圈式话筒10均选择微型结构。

本实施例中所述水位检测装置包括设于所述共鸣管3管口上方的激光测距器14，所述共鸣管3内的水面上设有与所述激光测距器14配合使用的激光反射片15，所述激光测距器14连接至所述测量控制装置。由于在所述减速电机7的驱动下，所述蓄水箱5升降非常缓慢，使所述共鸣管3内的水面产生零晃动，因此所述激光反射片15会静止漂浮在所述共鸣管3内的水面上。所述激光测距器14产生的激光通过所述激光反射片15反射回去，所述激光测距器14接收后，传送至其它部件进行分析处理，以确定空气柱的长度。当然，也可以利用超声波测距方式来测量空气柱的长度。

所述减速电机7和所述水位检测装置分别信号连接至测量控制装置，所述测量控制装置嵌装于所述测量箱体1的外壳上。所述测量控制装置包括嵌装于所述测量箱体1上的单片机16，所述单片机16信号连接有显示屏。通过所述单片机16可以启动所述减速电机7进行正转或反转，从而控制所述蓄水箱5上升或下降。所述激光测距器14检测的信号传送至所述单片机16内，进行信号变换后，减去所述激光测距器14到所述共鸣管3的安装高度，即为所述共鸣管3内的空气高度，以便于下一步计算使用。

在声音的实际传播过程中，声速与温度也有一定的关系，具体理论如下所述：

声波在理想气体中的传播过程，可以认为是绝热过程，因此传播速度可以表示为：

上式中常数R＝8.31J·mol^-1·K^-1，对于空气μ＝29kg·mol^-1，γ＝1.40，而T＝273.15+t℃。

将T＝(273.15+t)代入(t为摄氏温度)，得到计算声波在空气中的传播速度的理论公式为：

其中，v0＝(273.15γR/μ)1/2＝331.45m/s，为空气介质在0摄氏度时的声速。

为了该装置能够测量声速与温度的关系，本实施例所述测量箱体1内还设有测量调温装置，所述测量调温装置分别连接至所述测量控制装置。通过所述温度传感器17感知采集所述测量箱体1内的温度值并传送至所述单片机16，由所述单片机16进行信号处理，通过所述显示屏可以输入特定的温度数值，以控制所述测量调温装置工作，使得所述测量箱体1内的环境被加热到预设定的温度，进而探究温度与声速的关系。

具体地，所述测量调温装置包括设于所述测量箱体1顶端的温度传感器17，所述温度传感器17连接至所述测量控制装置，所述测量控制装置还连接有电加热管18，所述电加热管18布置于所述测量箱体1内。所述电加热管18加热的控制，为本技术领域所熟知的内容，在此不再详细描述。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，所述水箱升降调节装置的结构不同。如图2所示，本实施例中所述水箱升降调节装置包括固定安装于所述测量箱体1内的升降叉台19，所述蓄水箱5固定在所述升降叉台19的顶端，所述升降叉台19上连接有升降调节手柄20，所述升降叉台19上相对设有两个升降叉架21，两所述升降叉架21之间布置连接有若干连动杆22，所述升降调节手柄20连接于水平设置的两个所述连动杆22上，所述升降调节手柄20延伸至所述测量箱体1的外侧，所述测量箱体1上设有便于所述升降调节手柄20操作的调节过孔23。所述升降调节手柄20与所述升降叉台19有两个连接处，一处为与一所述连动杆22的转动连接，另一处为与另一所述连动杆22的螺纹连接，通过旋转所述升降调节手柄20可以实现所述升降叉台19的升降控制，进而实现所述蓄水箱5的升降控制，且控制速度可控，同样可以实现所述共鸣管3内水面的零晃动。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。