專利名稱：固體音頻聲速測量實驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究聲波在固體材料中轉(zhuǎn)播速度的實驗裝置，用于大學(xué)普通物理實驗，中學(xué)物理實驗及演示。
背景技術(shù)：
聲波是一種需在彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。
彈性媒質(zhì)中傳播的平面縱波的波速(v)與介質(zhì)的密度(ρ)和楊氏彈性模量(E)的關(guān)系如下v=E/ρ]]>聲波在不同媒質(zhì)中的波速不同。固體材料中傳播速度快于空氣數(shù)倍至十幾倍(不同材料之差異)，例如空氣(15℃)中聲速約340米/秒，鋁棒中聲速約5150米/秒。空氣中聲速的測量是根據(jù)聲速(v)與頻率(f)及波長(λ)的關(guān)系v＝f·λ(米/秒)常用“駐波法”，“相位法”測量。
而固體中聲速的測量則根據(jù)聲波在固體中傳播存在時間差異，即聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)一段時間(Δt)，到達(dá)距震源一段距離(ΔL)處，由此可以知道波速(v)為v＝ΔL/Δt(米/秒)此法稱“時差法”。
用“駐波法”和“相位法”測量聲速，用示波器測量駐波的峰、谷或波與波之間的相位，讀數(shù)誤差很大，且不穩(wěn)定。
而用“時差法”比較準(zhǔn)確和直觀，但具體應(yīng)用，有一定難度。
例如國外一公司演示實驗裝置，采用手持小鐵棒敲擊長鐵棒一端產(chǎn)生振動，開始計時，聲波傳至緊貼長鐵棒另一端的話筒后，停止計時，顯示“時差”，由于敲擊輕重、位置不同，聲波在長鐵棒中的反射波強(qiáng)度和持續(xù)時間不同，干擾正確測量，所測數(shù)據(jù)誤差很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)測量的誤差大，提供一種能較正確測量固體音頻聲速的實驗裝置。
本發(fā)明提供固體音頻聲速測量實驗裝置，采用“時差法”。
由固體棒，固體棒支架，壓電換能器，切換開關(guān)組，測量盒，移動測量夾組成。測量對象固體棒兩端分別固定壓電換能器，壓電換能器分別連接至切換開關(guān)組，切換開關(guān)組與由時間顯示器，光耦器，信號處理單元，測量、復(fù)位按鈕和單片微機(jī)組成的測量盒聯(lián)接。將切換開關(guān)組中一個開關(guān)合上，按測量按鈕，單片微機(jī)產(chǎn)生單個脈沖并啟動計時，單個脈沖經(jīng)光耦器驅(qū)動固定在固體棒一端的壓電換能器，產(chǎn)生音頻振動，經(jīng)固體棒傳播至固定于另一端的壓電換能器，使之產(chǎn)生電壓，經(jīng)信號處理單元進(jìn)行放大，整形成矩形脈沖經(jīng)光耦器送單片微機(jī)，使之停止計時并顯示音頻振動在固體棒材中傳播時間，即時間顯示器顯示所計“時差”，通過公式v＝ΔL/Δt計算即可正確測量固體音頻聲速。按復(fù)位按鈕，可使單片微機(jī)復(fù)位。
本發(fā)明的有益效果是，采用單片微機(jī)控制產(chǎn)生單個音頻脈沖來測量“時差”，避免固體中反射波所產(chǎn)生干擾，測量誤差較小且重復(fù)性好。通過切換開關(guān)組可方便切換不同材料同長度的固體棒材進(jìn)行測量，裝置結(jié)構(gòu)簡單。


圖1本發(fā)明固體音頻聲速測量實驗裝置示意框2切換開關(guān)組示意3測量盒電原理4移動測量夾示意圖在圖中，固體棒(1)，支架(4)，壓電換能器(2)(3)，切換開關(guān)組(5)，測量盒(6)，移動測量夾(7)以下結(jié)合附圖對本發(fā)明內(nèi)容作詳細(xì)說明具體實施方式

參見圖1，一種固體音頻聲速測量實驗裝置，由固體棒(1)，固體棒支架(4)，壓電換能器(2)(3)，切換開關(guān)組(5)，測量盒(6)，移動測量夾(7)組成。參見圖2，切換開關(guān)組(5)由四個雙刀雙擲互鎖開關(guān)(K1-4)，單刀雙擲開關(guān)(K5)組成。參見圖3，測量盒(6)由單片微機(jī)(IC3)，時間顯示器(D1-5)，顯示驅(qū)動(IC5)，光耦器(P1-2)，信號處理單元(IC2-3)，測量、復(fù)位按鈕(AN1-2)和穩(wěn)壓電路(IC4)組成。參見圖4，移動測量夾(7)由圓弧彈簧鋼夾(8)、開口手柄(9)和壓電換能器(10)組成。
其特征是固體棒1放置在支架(4)上，其兩端分別固定壓電換能器(2)(3)，選切換開關(guān)組(5)中一個開關(guān)合上(例如K1)，按測量按鈕(AN1)，單片微機(jī)(IC3)產(chǎn)生單個脈沖并啟動計時，單個脈沖經(jīng)光耦器(P2)及切換開關(guān)組(5)驅(qū)動固定在固體棒(1)一端的壓電換能器(2)，產(chǎn)生音頻振動，經(jīng)固體棒(1)傳播至固定于另一端的壓電換能器(3)，使之產(chǎn)生電壓，經(jīng)信號處理單元(IC2-3)進(jìn)行放大、整形成矩形脈沖經(jīng)光耦器(P1)送單片微機(jī)(IC3)，使之停止計時并在時間顯示器(D1-5)上顯示音頻振動在固體棒材中傳播時間，時間顯示器顯示所計“時差”，通過公式v＝ΔL/Δt計算即可正確測量固體音頻聲速。選切換開關(guān)組(5)的雙刀雙擲互鎖開關(guān)(K1-4)可切換不同材料(例如鐵、銅、鋁、塑料)固體棒(1)進(jìn)行測量。若按下單刀雙擲開關(guān)(K5)，捏住開口手柄(9)使圓弧彈簧鋼夾(8)從固體棒(1)上松開，可使移動測量夾(7)在固體棒(1)上移動至任一位置(不同長度)，定位緊夾后進(jìn)行測量。此時壓電換能器(10)取代壓電換能器(3)聯(lián)接測量盒。
穩(wěn)壓電路(IC4)提供測量盒(6)各電路穩(wěn)定直流電源。
權(quán)利要求
1.一種固體音頻聲速測量實驗裝置，由固體棒，支架，壓電換能器，切換開關(guān)組，測量盒，移動測量夾組成，其特征是放置在支架(4)上固體棒(1)兩端分別固定壓電換能器(2)(3)，切換開關(guān)組(5)中一個開關(guān)合上，按測量按鈕(AN1)，單片微機(jī)(IC3)產(chǎn)生單個脈沖并啟動計時，單個脈沖經(jīng)光耦器(P2)及切換開關(guān)組(5)驅(qū)動固定在固體棒(1)一端的壓電換能器(2)，產(chǎn)生音頻振動，經(jīng)固體棒(1)傳播至固定于另一端的壓電換能器(3)，使之產(chǎn)生電壓，經(jīng)信號處理單元(IC2-3)進(jìn)行放大、整形成矩形脈沖經(jīng)光耦器(P1)送單片微機(jī)(IC3)，使之停止計時并在時間顯示器(D1-5)上顯示音頻振動在固體棒材中傳播時間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述固體音頻聲速測量實驗裝置，其特征是切換開關(guān)組(5)由四個雙刀雙擲互鎖開關(guān)(K1-4)，單刀雙擲開關(guān)(K5)組成，可切換包括鐵、銅、鋁、塑料不同材料的固體棒(1)進(jìn)行測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述固體音頻聲速測量實驗裝置，其特征是切換開關(guān)組(5)的單刀雙擲開關(guān)(K5)，連接移動測量夾(7)，可在固體棒(1)上任意位置行測量。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述固體音頻聲速測量實驗裝置，其特征是移動測量夾(7)由圓弧彈簧鋼夾(8)、開口手柄(9)和壓電換能器(10)組成，在固體棒上移動，可實現(xiàn)任意位置長度的測量。
全文摘要
一種固體音頻聲速測量實驗裝置，由固體棒，支架，壓電換能器，切換開關(guān)組，測量盒，移動測量夾組成。其特征是放置在支架上固體棒兩端分別固定壓電換能器，選合切換開關(guān)組中一個開關(guān)，按測量按鈕，單片微機(jī)產(chǎn)生單個脈沖并啟動計時，單脈沖經(jīng)光耦器驅(qū)動固體棒一端的壓電換能器產(chǎn)生音頻振動，經(jīng)固體棒傳播至另一端的壓電換能器產(chǎn)生電壓，經(jīng)放大、整形成脈沖經(jīng)光耦器送單片微機(jī)，使之停止計時并在時間顯示器上顯示音頻振動在固體棒材中傳播時間。切換開關(guān)組可切換不同材料固體棒進(jìn)行測量。也可用移動測量夾在固體棒上任意位置進(jìn)行測量。用于大學(xué)普通物理實驗、中學(xué)物理實驗及演示。
文檔編號G09B23/00GK1731111SQ200510060
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月29日
發(fā)明者周小風(fēng), 鮑德松, 楊慧 申請人:浙江大學(xué)