全手动串扰法波速检测实验数据的处理方式研究*石明吉刘斌(洛阳理工大学电子与电气工程大学江西九江)(收稿日期:20180301)摘要:针对传统波速检测实验装置存在的缺陷大学物理实验声速的测量实验报告,人们渐渐研发和使用手动化、智能化的新型波速检测装置。新型波速检测装置得到的检测结果数据量更大,包含的信息也更丰富。用传统的软件线性拟合法处理数据偏差较大,不能满足实验须要,有必要探求波速检测数据处理的新方式。新型波速检测装置的实验偏差主要来自能量耗损和次频共振产生的次峰的影响。按照串扰法波速检测数据的特性和能量衰减的规律对数据进行修正,将能量耗损的影响去除掉;为排除次峰的影响,考虑到波速检测数据中极值点的出现具有空间周期性,借助傅里叶变换处理数据得到待测讯号的空间频谱图,确定了声波的波长并估算出波速。数据处理结果表明:因为清除了能量耗损的影响,排除了次峰干扰,使串扰法检测波速的相对偏差从1。66%减少为0。23%,比传统方式更适宜于处理串扰法波速检测数据;据悉,从另一个角度证明次频共振现象是产生次峰的重要诱因。关键词:波速检测仪能量耗损次峰次频共振傅里叶变换空间周期性空间频度1序言声波是一种在弹性媒质中传播的纵波,随着超声学研究的迅速发展,声学测量在实际应用中已越来越广泛,对超声波传播速率的检测在超声波测距、无损检查、定位、测量二氧化碳气温顿时变化等方面具有重大意义[1]。
超声波具有波长短、可定向的优点,因而,常被用作检测波速[2]。目前,学院化学实验中的波速检测方式主要有两种:串扰法(也叫共振干涉法)和相位比较法[3]。不管是串扰法还是相位比较法,都是用鼻子观察示波器进行检测。检测的时侯,为避免返程差的影响,不能回头,只能朝一个方向不断联通检测,不容易测确切;利用人眼观察、读数、移动,费时吃力。为解决这个问题,人们不断地研发和使用智能化、全手动的新型波速检测仪[4,5]。新型波速检测仪除了去除了返程差,实现了声波接收器位置联通的手动化,还实现了数据采集和储存的手动化,因而,实验效率大大提升,获得的数据量更大,包含的信息也更丰富。超声波在介质中传播时,因为介质的吸收与散射,能量将不断衰减。能量的衰减促使极大值点间隔改变,波长难以确切判断[6];据悉,因为讯号源频度不纯[7],次频共振造成次峰的产生[8,9],次峰的干扰促使极值点偏离正常位置,未能用传统的软件线性拟合法确切处理数据、计算出波速。因而,有必要探求一种新的、适合于处理新型装置检测数据的方式。本文依据能量衰减的特征对数据进行修正,去除能量耗损对检测结果的影响;借助傅里叶变换可以将一个讯号分解为好多个不同频度、不同幅度的余弦讯号的特性,用傅里叶变换处理数据,将不同频度的讯号分开,去除次峰对检测结果的影响并加深对次峰现象的理解。
2实验借助全手动波速检测装置,采用串扰法进行了波速检测实验。全手动波速检测装置由实验室自己搭建,通过单片机和步进马达驱动器控制步进马达的转动,借助步进马达推动螺栓转动,因而实现声波接收器的运动。采用串扰法进行波速检测,借助有效值测量模块将声波接收器形成的高频交变电流讯号—79—2018年第12期化学通报化学实验教学*新乡理工大学省示范校建设专项研究项目“大学数学开放性实验教学方式与体系的研究与实践”大学物理实验声速的测量实验报告,项目编号:;新乡理工大学高等教育研究基金项目“应用型大专院校公共实践教学平台运行机制研究”,项目编号:2017002作者简介:石明吉(1974),男,博士,副院长,从事学院化学实验教学和电子检测技术研究。
