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1、对驻波法测量声速实验的操作方法的改进系统朱方玺 魏广来指导教师：曹伟然临沂师范学院理学院 电话摘要：利用电路系统和单片机控制系统来进行对实验的操作，用以减小实验的误差，使实验结果更加精确，符合客观规律。研究背景：大学物理基础实验是非常普及的一门实验课程，在做实验的过程中，同学们锻炼了动手能力，加深了对实验的理解并对客观世界有了一个更深刻的认识。而实验数据的准确与否，直接影响了这一过程。我们在做用驻波法测量声速的实验过程中，发现了一些用原来的试验方法无法减小的产生实验误差的因素，致使实验结果偏离客观实际。为此，我们设计了这一改进系统，用来提高实验的精准度，使同学们对大自然的认识更加深刻，同时也帮
2、助同学们提高在实验细节上的认识，增强科学研究的思维意识。研究目的：减小实验误差，提高实验精度。研究过程：一.用驻波法测量声速的方法及原理在用驻波法测量声速的实验中，由信号发生器发出的信号波，进入到声速测定仪，测定仪的发射端发射的声波信号经空气传播到达前方的接收器，在接受面上设置反射装置，则入射波将被反射回去，在发射面上也装有反射装置，故反射波又将被反射回去。如此往返，声波经多次叠加，将在声源发生器与接收器之间发生共振干涉现象，形成能量较强的驻波. 此驻波的能量通过压电陶瓷换能器的转换作用，转换为电信号，并把此电信号输入到示波器来显示该信号的波形，利用此波形来进行实验操作。驻波的波长与声波相同，
3、反射面处为声压的波腹、位移的波节，且波腹与波腹、波节与波节之间的距离都是半个波长。因此，在声源频率不变的情况下，可以通过移动接收器来改变接收器与生源之间的距离。依次测出接收信号强度极大的位置，则相邻两次达到极大的位置之差就是半个波长。此即为该声速测量实验的基本原理。二.原方法的弊端及改进措施在原测量实验中，我们人为主观的用眼睛来辨别输入示波器的电压信号是否达到了接收信号强度极大的位置，如果前提条件满足，则停止转动声速测定仪上的旋轮并读出声速测定仪上所显示的示数，以此作为实验数据并记录。这是一个非常困难的事情，因为我们并不知道下一时刻的信号的强度与这一时刻的信号强度的大小关系。也就是说，在通常情
4、况下，旋轮停止转动的时候会错过信号强度达极大值时的位置或者不能达到强度达极大值的位置并不能在信号强度恰好达到极大值的时候停止转动旋轮，记录数据。故所记录的实验数据并不是实验原理所要求记录的实验数据。而如果再反向转旋轮，螺丝与螺丝之间就会产生很大的回程差，这样就大大的增大了实验的误差，使实验结果偏离误差允许的范围，使实验结果与客观世界的现象、事实不符。为减小上述的实验误差，我们设计了此实验的改进系统。希望能够减小实验误差，使实验结果更加符合客观事实。本改进系统的总体改进思想是：用系统来自动辨别信号强度是否达到最强进而满足记录实验数据的实验条件来代替原实验中的人为主观辨别信号强度是否达到最强进而满
5、足记录实验数据的实验条件；用单片机、步进电机等自动控制器件来控制声速测量仪上旋轮的转动，使旋轮能够在满足信号强度达到最强这一停止转动条件时，即时停止转动。这样，就能够减小原实验中的实验误差，使实验结果更加符合客观事实。在本改进系统中，先用一个信号放大电路来放大输入示波器的电压信号，使其强度满足单片机工作时对信号强度的要求并使系统抵抗外界干扰的能力增强，再用一个整波检波电路来整理改变该电压信号的波形，使其变为一个大小随原电压信号的强度进行有规律的变化的直流电压信号，产生一个稳定的脉直流动电压信号，并滤掉外部的干扰信号。此脉动电压信号的峰值与原实验中需要检测的波的峰值在同一位置。我们用步进电机来控
6、制原先由手动控制的声速测量仪的用以改变接收器与发射器之间的距离的旋轮的转动，用单片机来辨别经过整理的波的极大值位置。当单片机检测到波的强度达到极大值位置时，输出信号控制步进电机停止转动。读出并记录实验仪器上所指示的刻度后，触动单片机按键，使步进电机继续转动直到达到下一个极大值位置点，继续度数并重复以上操作。这样，就可准确的测出接收器与声源之间改变的距离，使结果更加精确！三.对信号的放大从声速测定试验仪进入示波器的信号强度比较小，用单片机判别信号是否到达了极值位置比较困难，故首先需要用放大电路放大信号强度，使其强度满足单片机工作时对信号强度的要求。同时，也为了增强系统的抗外界干扰能力。信号放大电
7、路图如下图（1）所示： （1）四.虑波步骤一满足了单片机工作时对信号强度的要求。但是，在系统运行进行实验的时候，外界声波的干扰是不可避免的，在对信号进行放大的时候，也会把外界的干扰信号放大到非常强的状态，影响本改进系统对实验条件的判断。特别是在实验的过程当，声速测定仪本身也会产生比较强的振动，此振动所产生的声波干扰比较严重，同样影响到本改进系统对实验条件的判断。故，需要一虑波积分电路来滤除干扰杂波，用以减小外界干扰对单片机系统正常工作的影响，并对原信号进行整理、整流。电路原理图如下图(2)所示： （2）五.单片机判别条件，进行操作上述俩步已经把信号按照要求处理完善，现在需用到单片机进行对峰值的
8、判断，而此，运用单片机编程即可实现（程序见附录）。步骤二产生的信号为模拟信号，而单片机能够进行判别并比较判断的信号为数字信号，故需要AD转换器把模拟信号转换为数字信号，供单片机进行取样比较。单片机遵循事先设定好的程序，按照操作者对按键的操作，有序准确的控制步进电机的转动。单片机及其周围电路原理图如下图（3）所示（在此改进实验中，用步进电机来控制声速测定试验仪上旋轮的转动）：由步骤二中的电路原理图可以看出，实际进入AD转换器的信号是经过反向后的信号，故辨别原信号的最大值既是辨别此信号的最小值。控制单片机系统运行的程序见附件。六.电源电路系统在上述各部分中，离开稳定合适的电源都将无法正常工作。故还
9、需各参数都比较稳定的电源作为进行实验的有力后盾。产生稳定电源的电路原理图如下图（4）所示： （4）研究结果：实验数据：1.用改进系统测得的实验数据为(f=39.051KHz)：读数次数12345实验数据mm62.42958.03253.64949.32945.120读数次数678910实验数据mm40.80636.61132.29927.91223.489用逐差法6-17-28-39-410-5差值mm21.62321.42121.35021.41721.631由逐差法可知波的半波长为4.29768mm经公式计算可得，声速v=335.657ms2.用原方法测得的实验数据为(f=39.051KH
10、z)：读数次数12345实验数据mm77.24772.57068.07063.55359.123读数次数678910实验数据mm54.57250.06045.42040.85236.328用逐差法6-17-28-39-410-5差值mm22.67522.5122.6522.70122.795由逐差法可知波的半波长为4.53324mm经公式计算可得，声速v=354.055ms对比俩组实验数据可得，用改进的系统测得的声速更加符合理论值。研究结果显示，此操作方法的改进系统能够完成预定的目标，减小了实验误差，提高了实验精度。由实验测量结果可知，我们的改进系统还是比较可靠的。结论：1、 本改进系统能够完成预定的目标：小实验误差、高实验精度。 / 文档可自由编辑打印
