一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提出一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置。它采用一個玻璃水槽，水槽內(nèi)設(shè)置半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器。水槽內(nèi)一側(cè)固定一超聲波發(fā)射換能器，另一側(cè)設(shè)置一超聲波接收換能器，可由直線電機帶動沿導軌左右移動，位移傳感器與電機相連。設(shè)定待測液體的溫度，依次按下測量啟動按鍵，記錄下相應超聲波接收換能器位于駐波波腹(或波節(jié))處的位置坐標，最后代入公式就可計算出該溫度下液體聲速。本實用新型可以測量不同溫度下的液體聲速，通過直線電機來改變超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器之間的距離，可避免產(chǎn)生空程誤差，直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，可使操作過程簡單方便。
【專利說明】一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種物理實驗裝置，具體是涉及一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]聲波是一種在彈性媒質(zhì)中傳播的機械波,它是縱波，其振動方向與傳播方向一致。振動狀態(tài)的傳播是通過媒質(zhì)各點間的彈性力來實現(xiàn)的，因此波速取決于媒質(zhì)的狀態(tài)和性質(zhì)(密度和彈性模量)。液體和固體的彈性模量與密度的比值一般比氣體大，因而其中的聲速也比較大。聲波在媒質(zhì)中的傳播速度與媒質(zhì)的特性及狀態(tài)等因素有關(guān)，因而通過媒質(zhì)中聲速的測試，可以了解媒質(zhì)的特性及狀態(tài)變化。例如，測量氯氣、鹿糖等氣體或溶液的濃度、氯丁橡膠乳液的比重以及輸油管中不同油品的分界面等等，這些問題都可以通過測試這些物質(zhì)中的聲速來解決。可見聲速測試在工業(yè)生產(chǎn)上具有一定的實用意義。
[0003]由于在聲波傳播過程中波速U、波長λ與頻率f之間存在著U =fA的關(guān)系，若能同時測出媒質(zhì)中聲波傳播的頻率f及波長λ，即可求得此種媒質(zhì)中聲波的傳播速度U。在彈性媒質(zhì)中，頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波；頻率在20Hz-20kHz的振動所激起的機械波稱為聲波，可以被人聽到，也稱為可聞聲波；頻率在20kHz以上的聲波稱為超聲波，一般超聲波的頻率范圍在2X 104Hz-5X 18Hz之間。超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點，故在超聲波段進行聲速測試比較方便。同時，由于頻率在超聲波范圍內(nèi)，一般的首頻對它沒有干擾。頻率f提聞，波長λ就短，故在不長的距離內(nèi)可測到許多個λ，取其平均值，λ的測定就較準確。
[0004]液體聲速的測定是物理實驗中一個常見的實驗項目。測量液體聲速的方法很多，大學物理實驗中一般采用駐波法或相位比較法。現(xiàn)在的實驗裝置一般采用壓電陶瓷超聲換能器來實現(xiàn)聲壓和電壓的轉(zhuǎn)換，壓電陶瓷超聲換能器做波源具有平面性、單色性好以及方向性強等特點。利用壓電陶瓷的逆壓電效應可將壓電材料制成超聲波發(fā)射換能器，通過信號源信號的激勵弓I起振動，把電能轉(zhuǎn)換為聲能，作為超聲波發(fā)射器，在空氣中傳播出超聲波。利用壓電陶瓷正壓電效應可將壓電材料制成超聲波接收換能器，來接收空氣的振動，把聲能轉(zhuǎn)換為電能，即把聲波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，作為超聲波接收器。通常選用頻率特性大致形同的兩只壓電陶瓷超聲換能器，一只作發(fā)射用，另一只作接收用。壓電換能器有一諧振頻率，當外加信號的頻率等于系統(tǒng)的諧振頻率時，壓電換能器產(chǎn)生機械諧振，這時靈敏度最高。如果把超聲波發(fā)射換能器S1與超聲波接收換能器S2 “面對面”放置，兩者之間距離是L，信號源提供正弦交流電信號，激勵超聲波發(fā)射換能器振動，把電能轉(zhuǎn)換為聲能，發(fā)出一平面超聲波。超聲波接收換能器把聲能轉(zhuǎn)換為電能，即把聲波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，同時還反射一部分超聲波。這時每個換能器都相當于一個不完全的反射器，發(fā)射的聲波、反射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一條直線上沿相反方向傳播，于是超聲波發(fā)射換能器S1發(fā)射的超聲波和超聲波接收換能器S2反射的超聲波在兩換能器之間的區(qū)域干涉而形成駐波。駐波相鄰兩波腹(或波節(jié))之間的距離為半個波長。移動超聲波接收換能器S2的位置(即改變S1與S2之間的距離)，可以發(fā)現(xiàn)在一系列特定的位置上，S2接收到的聲壓達到極大值(或極小值)，相鄰極大值(或極小值)之間的距離皆為半個波長。為了測試聲波的波長，可以緩慢地改變SpS2之間距離，則S2接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號不斷地由最大變到最小再變到最大，而幅度每一次周期性的變化，都相當于S1、S2之間距離改變了半個波長。當兩者的距離L是半波長的整數(shù)倍時，每個換能器都位于波腹，此時有
Z = WXi = fX,，上式中11是整數(shù)。通過測量&、S2之間的距離，用逐差法處理測量數(shù)據(jù)，
可求出聲波的波長，進而求出聲速。
[0005]目前測量液體聲速的裝置主要存在以下不足:
[0006]其一，通過搖動手柄轉(zhuǎn)動精密絲桿導軌移動裝置，從而改變超聲波發(fā)射換能器S1和超聲波接收換能器S2之間的距離，容易產(chǎn)生空程誤差，從而影響實驗結(jié)果的準確性。
[0007]其二，采用搖動手柄帶動絲桿導軌移動的裝置，操作過程比較繁瑣，而且實驗教學過程中發(fā)現(xiàn)手柄容易滑絲。
[0008]其三，采用示波器來觀察信號，連線復雜，操作麻煩，容易出錯。
[0009]其四，一般只能測室溫下液體聲速。
實用新型內(nèi)容
[0010]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，本實用新型提出一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置，該裝置既可以測量高于室溫又可以測量低于室溫某一溫度下液體聲速。通過直線電機代替絲桿導軌移動裝置來改變超聲波發(fā)射換能器S1和超聲波接收換能器S2之間的距離，可以避免產(chǎn)生空程誤差，不需要反復搖動手柄，因此不會出現(xiàn)滑絲問題，操作過程簡單。不采用示波器，而是直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，直觀方便。
[0011]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用一個一端封閉的玻璃水槽，玻璃水槽壁采用雙層結(jié)構(gòu)，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果。待測液體注入玻璃水槽內(nèi)，高度合適，在玻璃水槽內(nèi)液體中靠上部分設(shè)置一半導體制冷裝置，用來冷卻待測液體，靠下部分設(shè)置一加熱裝置，用來加熱待測液體，中間部分設(shè)置一溫度傳感器，用來測量待測液體的溫度，半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器分別通過接口與溫度控制器相連接，通過溫度控制器上的按鍵可以設(shè)定待測液體的溫度。通過溫度控制器上的按鍵設(shè)定待測液體的溫度，利用溫度傳感器測量待測液體的實際溫度，溫度控制器內(nèi)部由微處理器進行控制，如果設(shè)定溫度低于實際溫度，則啟動半導體制冷裝置，冷卻待測液體，直到溫度降低到設(shè)定值；如果設(shè)定溫度高于實際溫度，則啟動加熱裝置，加熱待測液體，直到溫度增加到設(shè)定值。玻璃水槽內(nèi)一側(cè)固定一超聲波發(fā)射換能器，通過接口與測量控制器相連，由測量控制器內(nèi)部的信號源提供正弦波信號，信號的頻率和幅度可以通過測量控制器上的旋鈕進行調(diào)節(jié)；另一側(cè)設(shè)置一超聲波接收換能器，一方面通過連接桿與直線電機相連，可以在電機的帶動下沿直線電機導軌左右移動，另一方面通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器上的顯示屏可以將超聲波接收換能器接收信號電壓的幅度顯示出來。直線電機安裝在導軌上，導軌安裝在支架上，直線電機通過接口與直線電機驅(qū)動器相連，直線電機驅(qū)動器通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器可以設(shè)定電機的運動方向及運動速度。位移傳感器通過連接桿與直線電機相連，用來確定直線電機及超聲波接收換能器的位置，位移傳感器通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器上的顯示屏可以將其位置坐標顯示出來。實驗時通過溫度控制器上的按鍵設(shè)定待測液體的溫度，接下來通過測量控制器上的信號源幅度調(diào)節(jié)旋鈕將正弦波信號幅度調(diào)節(jié)合適，通過信號源頻率粗調(diào)及細調(diào)旋鈕調(diào)節(jié)正弦波信號頻率，使測量控制器上的超聲波接收換能器接收信號電壓幅度顯示屏顯示的電壓幅度最大，則此時信號源輸出的正弦波信號的頻率值即為本系統(tǒng)的諧振頻率。通過測量控制器將直線電機速度調(diào)節(jié)合適，設(shè)定其運動方向，按下測量啟動按鍵，則電機帶動超聲波接收換能器向左或向右運動，同時通過測量控制器記錄移動過程中超聲波接收換能器接收信號電壓的幅度，至最大值時停下來，即駐波的波腹位置，并在測量控制器上的顯示屏將其位置坐標顯示出。接下來依次按下測量啟動按鍵，記錄下相應超聲波接收換能器位于駐波波腹位置的位置坐標，最后代入公式就可以計算出該溫度下液體的聲速。
[0012]本實用新型的有益效果是，該裝置可以測量不同溫度下的液體聲速，通過直線電機來改變超聲波發(fā)射換能器和超聲波接收換能器之間的距離，避免產(chǎn)生空程誤差，直接測量并顯示超聲波接收換能器接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成的電壓信號，從而使操作過程簡單方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0014]附圖是本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖中1.支架，2.玻璃水槽，3.半導體制冷裝置，4.溫度傳感器，5.加熱裝置，6.超聲波發(fā)射換能器，7.超聲波接收換能器，8.超聲波接收換能器與直線電機之間的連接桿，9.直線電機，10.直線電機導軌，11.位移傳感器與直線電機之間的連接桿，12.位移傳感器，13.半導體制冷裝置與溫度控制器之間的接口，14.溫度傳感器與溫度控制器之間的接口，15.加熱裝置與溫度控制器之間的接口，16.溫度顯示屏，17.溫度控制器，18.數(shù)字選擇按鍵，19.上調(diào)按鍵，20.下調(diào)按鍵，21.指示燈，22.復位按鍵，23.溫度設(shè)定按鍵，24.超聲波發(fā)射換能器與測量控制器之間的接口，25.測量控制器，26.信號源頻率顯示屏，27.超聲波接收換能器與測量控制器之間的接口，28.直線電機驅(qū)動器，29.直線電機與直線電機驅(qū)動器之間的接口，30、31.直線電機驅(qū)動器與測量控制器之間的接口，32.位移傳感器與測量控制器之間的接口，33.信號源頻率粗調(diào)旋鈕，34.信號源頻率細調(diào)旋鈕，35.信號源幅度調(diào)節(jié)旋鈕，36.超聲波接收換能器接收信號電壓幅度顯示屏，37.直線電機向左運動控制按鍵，38.直線電機速度調(diào)節(jié)旋鈕，39.直線電機向右運動控制按鍵，40.測量啟動按鍵，41.位移傳感器測量顯示屏。

【具體實施方式】
[0016]附圖中，采用一個一端封閉的玻璃水槽2，玻璃水槽壁采用雙層結(jié)構(gòu)，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果。將待測液體注入玻璃水槽2內(nèi)，高度合適，在玻璃水槽2內(nèi)液體中靠上部分設(shè)置一半導體制冷裝置3，用來冷卻待測液體，靠下部分設(shè)置一加熱裝置5，用來加熱待測液體，中間部分設(shè)置一溫度傳感器4，用來測量待測液體的溫度，半導體制冷裝置3、加熱裝置5及溫度傳感器4分別通過半導體制冷裝置與溫度控制器之間的接口 13、加熱裝置與溫度控制器之間的接口 15及溫度傳感器與溫度控制器之間的接口 14與溫度控制器17相連接。通過溫度控制器17上的溫度設(shè)定按鍵23，數(shù)字選擇按鍵18，上調(diào)按鍵19，下調(diào)按鍵20，可以設(shè)定待測液體的溫度，并可在溫度顯示屏16上顯示出來。指示燈21用來指示待測液體溫度是否達到設(shè)定溫度，待測液體溫度不等于設(shè)定溫度，指示燈21顯示為紅燈，待測液體溫度達到設(shè)定溫度，指示燈21顯示為綠燈。玻璃水槽2內(nèi)一側(cè)固定一超聲波發(fā)射換能器6，通過超聲波發(fā)射換能器與測量控制器之間的接口 24與測量控制器25相連，由測量控制器25內(nèi)部的信號源提供正弦波信號，信號的頻率可以通過測量控制器25上的信號源頻率粗調(diào)旋鈕33及信號源頻率細調(diào)旋鈕34進行調(diào)節(jié)，并可在信號源頻率顯示屏26上顯示出來，信號的幅度可以通過測量控制器25上的信號源幅度調(diào)節(jié)旋鈕35進行調(diào)節(jié)；另一側(cè)設(shè)置一超聲波接收換能器7，一方面通過超聲波接收換能器與直線電機之間的連接桿8與直線電機9相連，可以在電機的帶動下沿直線電機導軌10左右移動，另一方面通過超聲波接收換能器與測量控制器之間的接口 27與測量控制器25相連，通過測量控制器25上的超聲波接收換能器接收信號電壓幅度顯示屏36可以將超聲波接收換能器7接收信號電壓的幅度顯示出來。直線電機9安裝在直線電機導軌10上，導軌安裝在支架I上，直線電機9通過直線電機與直線電機驅(qū)動器之間的接口 29與直線電機驅(qū)動器28相連，直線電機驅(qū)動器28通過直線電機驅(qū)動器與測量控制器之間的接口 30、31與測量控制器25相連，通過測量控制器25上的直線電機向左運動控制按鍵37及直線電機向右運動控制按鍵39可以設(shè)定電機向左或向右運動，通過測量控制器25上的直線電機速度調(diào)節(jié)旋鈕38可以調(diào)節(jié)電機的運動速度。位移傳感器12通過位移傳感器與直線電機之間的連接桿11與直線電機9相連，用來確定直線電機9及超聲波接收換能器7的位置，位移傳感器12通過位移傳感器與測量控制器之間的接口 32與測量控制器25相連，通過測量控制器25上的位移傳感器測量顯示屏41可以將其位置坐標顯示出來。
[0017]具體實驗操作步驟為:
[0018](I)通過溫度控制器17上的溫度設(shè)定按鍵23，數(shù)字選擇按鍵18，上調(diào)按鍵19，下調(diào)按鍵20，設(shè)定待測液體的溫度。直到指示燈8由紅燈變?yōu)榫G燈，即待測液體溫度達到設(shè)定值。
[0019](2)尋找系統(tǒng)的諧振頻率。通過測量控制器25上的信號源幅度調(diào)節(jié)旋鈕35將正弦波信號幅度調(diào)節(jié)合適，通過測量控制器25上的信號源頻率粗調(diào)旋鈕33及信號源頻率細調(diào)旋鈕34進行調(diào)節(jié)，使測量控制器上的超聲波接收換能器接收信號電壓幅度顯示屏36顯示的電壓幅度最大，則此時信號源輸出的正弦波信號的頻率值即為本系統(tǒng)的諧振頻率4。
[0020](3)通過測量控制器25上的直線電機速度調(diào)節(jié)旋鈕38將直線電機9速度調(diào)節(jié)合適，通過測量控制器25上的直線電機向左運動控制按鍵37及直線電機向右運動控制按鍵39設(shè)定電機向左或向右運動，按下測量啟動按鍵40，則電機帶動超聲波接收換能器7向左或向右運動，同時通過測量控制器25記錄移動過程中超聲波接收換能器7接收信號電壓的幅度，至最大值時停下來，即駐波的波腹位置，并通過測量控制器25上的位移傳感器測量顯示屏41將其位置坐標顯示出來。接下來依次按下測量啟動按鍵，記錄下相應超聲波接收換能器7位于駐波波腹位置的位置坐標，比如一共測12個值，分別χι、χ2、……x12。





6
[0021](4)最后用逐差法處理數(shù)據(jù)，代入公式，|f(X,+6_Xi)求出λ，由諧振頻率fQ和
λ =-,



18
測出的λ，可以計算聲速V = & λ，即為該溫度下液體聲速的測量值。
[0022](5)記下實驗室的室溫tCC ),根據(jù)公式Vt = 331.45+0.59t計算理論值,與測量值比較，計算誤差，并對結(jié)果進行討論。
[0023]以上對本實用新型的結(jié)構(gòu)進行了闡述，但是本實用新型所介紹的實施例并沒有限制的意圖，在不背離本實用新型主旨的范圍內(nèi)，本實用新型可有多種變化和修改。
【權(quán)利要求】
1.一種測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置，具體是采用一個一端封閉的玻璃水槽，玻璃水槽內(nèi)一側(cè)固定一超聲波發(fā)射換能器，另一側(cè)設(shè)置一超聲波接收換能器，其特征是:在玻璃水槽內(nèi)液體中靠上部分設(shè)置一半導體制冷裝置，用來冷卻待測液體，靠下部分設(shè)置一加熱裝置，用來加熱待測液體，中間部分設(shè)置一溫度傳感器，用來測量待測液體的溫度，半導體制冷裝置、加熱裝置及溫度傳感器分別通過接口與溫度控制器相連接，通過溫度控制器上的按鍵可以設(shè)定待測液體的溫度，超聲波發(fā)射換能器通過接口與測量控制器相連，由測量控制器內(nèi)部的信號源提供正弦波信號，信號的頻率和幅度可以通過測量控制器上的旋鈕進行調(diào)節(jié)，超聲波接收換能器一方面通過連接桿與直線電機相連，可以在電機的帶動下沿直線電機導軌左右移動，另一方面通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器上的顯示屏可以將超聲波接收換能器接收信號電壓的幅度顯示出來，位移傳感器通過連接桿與直線電機相連，用來確定直線電機及超聲波接收換能器的位置，位移傳感器通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器上的顯示屏可以將其位置坐標顯示出來。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置，其特征是:直線電機安裝在導軌上，導軌安裝在支架上，直線電機通過接口與直線電機驅(qū)動器相連，直線電機驅(qū)動器通過接口與測量控制器相連，通過測量控制器可以設(shè)定電機的運動方向及運動速度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量不同溫度下液體聲速的實驗裝置，其特征是:玻璃水槽壁采用雙層結(jié)構(gòu)，中間抽成真空，以起到良好的保溫效果。
【文檔編號】G01H5/00GK203940921SQ201420234382
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】田凱, 王照平, 劉申曉, 王博, 王寧 申請人:黃河科技學院