时差法声速测量仪的研制

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1、282004年第23卷第1期时差法声速测量仪的研制童建平.隋成华.魏高尧，徐来定（浙江工业大学电子物理研究所，浙江杭州310032）*共振干涉法和相位比较法是大学物理实验中常用的测量声速的方法，但是时差法很少被涉及。所设卄的仪器在原有仪器功能的基础上增加时差法测量声速的内容，因为利用了单片机技术，在仪器成本没有增加的情况下,给该实验增加了一种实际常用的测■方法，并且数据测議结果与理论值符合得相当好。关tt词:声速；时差法；单片机中图分类号：TP212文敵标识码：B文章编号：1000-9787（2004）01

2、-0028-02DevelopmentofequipmentformeasuringsoundvelocitywithtimedifferencemethodTONGJian-ping,SUICheng-hua,WEIGao-yao,XULai-ding(InstofEktPhys,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)Abstract：Theresonancecoherentmethodandphasecomparativemethodar

3、egenerallyusedformeasuringthesoundvelocityinuniversityphysicalexperiment.Butfewmeasuringinstrumentsusetimedifferencemethod.Inourdesigninginstrument,thetimedifferencemethodisusedunderkeepingtheoldfunctionsandthecostoftheinstrumentisalmostthesameastheoldbeca

4、usethesinglechipprocessortechnologyisused.Themeasuringresultaccordswellwiththecalculatingdatainthisexperiment.Keywords：soundvelocity;timedifferencemethod;singlechipprocessor0引言共振干涉法和相位比较法是大学物理实验中常用的测量声速的方法⑴。但是在很多舰船上是用声纳来测量距离和方位，很多江湖水位自动记录仪也是用超声波来测量水位的变化，即

5、利用测量脉冲发出和回波的时间差推算距离•测量原理两者相差较大，因此，在原来教学仪器的基础上进行了改正,增加了时差法测量声速的功能•完善了教学与实际之间的衔接。1原理概述和误差分析时差法测量声速是利用已知声波传输的距离,测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差，计算出声波在空气中的传播速度。在不影响原理证明的条件下考虑仪器成本・没有采用回波的方法，而是利用一收一发双换能器测量声波传输的时间，即加=丄，（1）式中S为距离卩为声波的速度。原仪器测量声速的最大传输距离一般都小于35cm,根据式（1）,声波最大传输时间为（

6、T=273.15K时，％=331.45m/s）一35x10-2—、山="331.4F=1°56（妙）•考虑仪器成本，况且实验一般在中段位置测量,仪器时间显示可用4位LED,显示单位为pso时间测量为Ms级，因此，决定采用时钟为12MHz的单片机来完成时间测量，其测量准确度为1戶,附带完成用共振干涉法和相位比较法测量声速所需的测频功能。采用时差法，不需要振荡源发出连续信号（共振干涉法和相位比较法需要），只需脉冲信号就可以。考虑发射传感器的灵敏度和共振频率•仪器发出10个36.5kHz的脉冲序列，防止接收换能器

7、的尾波干扰，每隔20ms发1个脉冲序列。由于仪器发岀的是脉冲序列,这样在时差法测量声速时,功率消耗相当低。整个仪器还保留原共振干涉法和相位比较法测量功能,仪器的原理框图见图1所ZKo图1时基法声連测■仪康理框图Fig1Blockdiagramoftimedifferencemethod用共振干涉法和相位比较法测最声速时，单片机测fii频率,相当于1个频率计，频率计的设计可用单片机的2个定时器/记数器配合完成⑵。在时差法测声速时，单片机固定发岀10个36.5kHz的脉冲序列，经二选一开关到功率放大，推动发射换

8、能器发出超声波,接收换能器接收超声波,经换路开关换路兼滤波到单片机，供单片机中断，提取时差信号⑶，见图2,前一个信号为单片机发出的脉冲序列，后一个是接收换能器接收超声波信号，明显有尾波干扰。时差信号在LED显示窗口显示。Fig2Waveformoftimedifferencesignal2测■结果分析表1为用时差法测得的数据，用逐差法处理实验数据。时差法测得的数据Tab1Measuringresult参数数据Xf