聲速的測定實驗報告（5篇）聲速測量實驗篇一關鍵詞超聲波；測距；溫度檢測；單片機中圖分類號：O422文獻標識碼：A文章編號：1671—7597（2024）041-136-011設計原理與方法1.1聲波測距原理聲波測距原理以聲波在空氣中的傳播速度v已知為前提，測量聲波從發(fā)射傳播到設定障礙物所用的時間：Δt，根據(jù)如下公式算出初始測量點到設定障礙物的實際距離L：L=v×Δt（1）1.2聲速計算方法本文采用由干燥空氣中聲速v的計算公式：v=v0（1+T/T0）1/2?（2）來計算聲速，式中T（k）為環(huán)境溫度即室溫，v0=331.5m/s為干燥空氣中聲音的傳播速度，T0=273.15K。然而本文考慮到在實際聲音傳播環(huán)境中空氣會由于水蒸氣等不完全是干燥空氣，所以僅以上式（2）測量聲速會帶來較大誤差。由此本文決定通過測定當時環(huán)境下的空氣平均摩爾質量和比熱比來減少空氣濕度帶來的誤差，即聲速v：v=331.5（1+T/T0）1/2（1+0.31r·Ps/P）1/2?（3）可用飽和蒸汽壓力和溫度的關系表中查出溫度為T（K）時空氣的飽和蒸汽壓力Ps，從干濕溫度計上讀出相對濕度r，P為當時大氣壓力。2實驗儀器與裝置本文通過資料的查閱，認為可以通過超聲波在傳播過程中遇到障礙物后發(fā)生反射的原理，根據(jù)介質中超聲波的傳播速度，測量出超聲波從波源起一直到被物體反射后重新到達波源處所用的時間，從而求出物體間待測距離。由此，本文設計以下種方案。2.1發(fā)射電路的設計在本文設計的發(fā)射電路中，傳感器采用壓電陶瓷傳感器UCM40T（其脈沖信號的工作頻率為40kHz，超聲波換能器所需的40K方波信號由單片機的P1.0口輸出）。2.2接收電路的設計在本文設計的接收電路中，本文將超聲波調制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，并且接頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，在對接收探頭接收到的信號進行放大濾波（總放大增益為80db）的過程中，采用途經CX20246A集成電路的辦法。將中斷請求信號設置為輸出端7腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖降臅r刻，并將其送至單片機進行處理。2.3溫度檢測電路的設計為了便于計算本文實驗時的超聲波速度v=331.4+0.61×Tm·s-1，本文采用溫度傳感器檢測本文實驗環(huán)境下的溫度。3數(shù)據(jù)測量與分析根據(jù)本文的實驗，本文得到以下的數(shù)據(jù)（見表1）：表1實驗中超聲波裝置測量的數(shù)據(jù)（單位：cm）對本文的實驗數(shù)據(jù)的分析：1）本文觀察數(shù)據(jù)可以得出，在標定距離為200cm-250cm的距離范圍內，測量的數(shù)據(jù)誤差具有較其他范圍稍大的波動性，所以本方案仍然存在一定的近距離盲區(qū)，即2）從全程記錄的16個數(shù)據(jù)來看，幾乎所有的測量誤差都在1cm-2cm，并且絕大部分都集中穩(wěn)定在1cm。所以本文認為本方案的裝置適用于200cm-500cm（即2m-5m）物體間距之間的測量。3）本文對450cm-490cm內的距離進行了多次的測試，發(fā)現(xiàn)他們的最大誤差均不超過1cm，所以該方法在該距離范圍內的重復一致性比較良好。4結論采用超聲波測距法，設備較小，便于攜帶，適合于戶外作業(yè)和運動作業(yè)。而且超聲波在傳播過程中超聲波指向性強、能量消耗緩慢，在介質中傳播較遠，測量過程中具有線性度、穩(wěn)定性和重復度好，抗干擾能力強等優(yōu)點。在測定2m-5m范圍內，理論誤差可精確到1cm之間。同時限制實驗最大可測距離存在四個因素：超聲波的振幅、反射的質地、反射聲波和入射聲波的夾角以及接收換能器的靈敏度。為了增加測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，獲得更小更精確的最小可測距離，本文建議使用多個超聲波換能器分別作為超聲波發(fā)射/接受的設計方法。而且，超聲波屬于聲波范圍，波速與溫度有關，由此本文增加了對空氣平均摩爾質量和比熱比的修正，使得實驗誤差進一步降低。綜上所述，本文認為方案二著眼于單片機設計的超聲波發(fā)射接收測距裝置具有很多優(yōu)點，突出表現(xiàn)為結構簡單、實用、價格低廉、精確度較高（誤差較?。?、穩(wěn)定性較強等特點。適用于2m-5m范圍內的物體間距的測量。參考文獻聲速測量實驗篇二關鍵詞：超聲波；Arduino；物理；數(shù)字實驗室中圖分類號：G633.7文獻標識碼：A文章編號：1003-6148（2024）10-0059-4當物體振動時會發(fā)出聲音，科學家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲（Hz）。人類耳朵能聽到的聲波頻率為20Hz～20000Hz。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波具有方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能等特性，在測距、測速等方面具有廣泛應用。本文結合高中物理數(shù)字化實驗開發(fā)實例，闡述如何利用Arduino平臺實現(xiàn)超聲波測距和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)精確、直觀、高效率的實驗測量和數(shù)據(jù)處理。1超聲波測距原理及方案對比超聲波測距有兩種常見方案，一種是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23頁所示的方案，把超聲波發(fā)射器件和接收器件分別放置在所測距離的起點和終點，在紅外線遙控器件輔助下計算超聲波從起點至終點的時間Δt，再根據(jù)s=v*Δt求得距離。另一種方案可稱為“反射式”，是把超聲波發(fā)射器件和接收器件并列安裝在起點處，然后測得超聲波從發(fā)射到經過終點反射回來被接受到的時間差Δt，再根據(jù)s=v*（Δt/2）求得距離。方案一的測量精度較高，但實驗較繁瑣、使用也不便，方案二的測試時間是方案一的兩倍、理論上誤差也翻倍，但使用較為方便、所需模塊也更易于購置。因此，我們采用了方案二“反射式”測距方式。常見的“反射式”超聲波測距模塊有SR系列、US系列等，表1是我們試用過的幾種模塊的電性能參數(shù)，看上去都屬于民用產品，差別并不大，因此網(wǎng)上的超聲波測距應用都采用了常見且廉價的HC-SR04模塊。但事實上HC-SR04模塊和US-016模塊并不能滿足中學物理實驗的必備要求，很多人都忽略了測量頻率的問題，下面試分析之。如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5節(jié)《自由落體運動》教學中，研究自由落體加速度（重力加速度）是一個非常重要的課堂演示實驗，傳統(tǒng)上采用打點計時器在紙帶上打點記錄距離，測量的頻率是50Hz，如果要用超聲波測距代替打點計時器，那么測量頻率同樣必須達到50Hz，也就是說測量周期不能大于20ms。而幾種模塊不同的輸出方式導致了他們實際輸出效果的區(qū)別：（1）HC-SR系列模塊的測量時序如圖1，它的測量結果是以脈沖時長的方式輸出的，導致測量周期是超聲波從起點到終點傳播時間的4倍以上，嚴重限制了測量頻率的提高。為了便于理解，我們以測量一米的距離為例分析測量過程：首先單片機向模塊發(fā)送10μs的高電平，然后模塊發(fā)射8個40kHz超聲波脈沖約耗時0.2ms，超聲波傳播至目標需時t=1m/（340m/s）=2.94ms，反射至接收器件又需2.94ms，最后模塊向單片機輸出一個寬度為5.88ms的高電平脈沖，單片機測得此脈沖寬度后再折算得到測量結果。整個過程約需12ms，再加上兩次測量之間的間隔時間、其他運行步驟消耗時間、尤其是單片機與PC計算機數(shù)據(jù)通訊時間（實測建議不少于5ms），整個測量周期很難控制在20ms之內。換個說法，50Hz的測量頻率使得測量距離被限制在一米以內，嚴重影響了實驗的可操作性。盡管HC-SR04模塊的標稱量程達到4米，但這么長的距離會導致測量周期在50ms以上，不能達到實驗的要求。（2）US-016模塊的輸出方式是模擬電平，即把距離轉換為輸出端口的電壓值再由數(shù)據(jù)采集模塊測量取值發(fā)送PC，它的轉換過程中必然經過積分環(huán)節(jié)，最終實際效果雖然沒有明確的測量周期限制但難以測量距離突變，從數(shù)據(jù)采集的曲線來看就是測量曲線被修飾圓滑了，出現(xiàn)了較大的高頻失真。（3）US-100模塊可采用UART輸出模式（串口模式），工作過程簡述如下：首先單片機向模塊Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600耗時US-100模塊的測量時序如圖2，采用該模塊進行超聲波測距時，如果設定測量周期為20ms，考慮到測量間隔和其他時間，我們認為實際測量過程時間可以達到12ms，則最大測量距離可達340*12/2=2040mm，約為2米，比HC-SR04模塊更符合重力加速度測量實驗的需求。此外，US-100模塊內帶自動溫度測量并對結果進行校正，也能有效提高實驗對環(huán)境溫度的適應性。從表2可以看出，溫度對超聲波速度的影響還是很大的，當溫度從0變化到20攝氏度時，超聲波速度變化量達到3.6%，已經不能忽視。所以，在反復測試對比后，最終決定采用US-100模塊作為距離測量的傳感器。2利用Arduino平臺實現(xiàn)超聲波測距和數(shù)據(jù)采集Arduino是目前風靡全球的開源電子創(chuàng)新平臺，它本質上是一個經過易用性封裝的AVR單片機系統(tǒng)，具有13個數(shù)字輸入/輸出端口和5個模擬輸入/輸出端口，可以通過外接傳感器實現(xiàn)對各類物理量的測量和數(shù)據(jù)采集。結合專用的編程開發(fā)環(huán)境，能夠快速簡便地實現(xiàn)對傳感器進行控制、數(shù)據(jù)采集并與PC計算機軟件結合，實現(xiàn)數(shù)字實驗室的功能。（1）系統(tǒng)硬件構成：我們采用ArduinoUno主控板控制US-100超聲波測距模塊，并通過USB連接線連接計算機，同時通過USB的5V電源給主控板和模塊供電，架構清晰制作容易。為了方便使用，我們又把主控板和模塊都安裝在一個鋁合金盒子里，使用時只需要把盒子放在測試處，然后通過USB連接線連接計算機即可。圖3即系統(tǒng)框架示意圖；圖4和圖5分別為各模塊實物圖和安裝后的成品圖。（2）系統(tǒng)軟件設計和優(yōu)化：由于超聲波測距模塊已經把發(fā)射、接收、計時整體設計在內，所以本系統(tǒng)的單片機程序很簡潔，這也是采用成品測距模塊的原因，主程序只負責觸發(fā)模塊、接收數(shù)據(jù)、向計算機轉發(fā)數(shù)據(jù)三個環(huán)節(jié)。但想要得到比較穩(wěn)定精確的實驗效果還有許多問題需要解決，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡和雜志常見的一些測距方案或實驗都缺乏必要的嚴謹性，本次設計重點思考并優(yōu)化解決了如下幾個問題：問題一，如何提高測量量程？如前所述，我們采用US-100模塊進行超聲波測距，摒棄了常用的HC-SR04模塊，能夠減少讀取測量結果的時間，從而把量程擴大到2米左右，使之符合常見中學物理實驗的要求。問題二，如何提高測量頻率？為了進一步降低測量周期、提高測量穩(wěn)定性，我們把Arduino向PC通訊常用的Serial.print命令改為Serial.write命令，每次發(fā)送四字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)，前兩字節(jié)為數(shù)據(jù)標志位，一方面可以作為起始位避免數(shù)據(jù)錯位，另一方面第二字節(jié)還可以作為擴展位以提供功能擴展。后兩字節(jié)是二進制的測量結果數(shù)據(jù)，并設定傳輸波特率為115200，使數(shù)據(jù)傳輸時間減少到0.27ms，向計算機實際通訊時間小于一毫秒，從而進一步減小測量和通訊所需時間，保證測量頻率為50Hz時具有足夠冗余的時間，保障了實驗的穩(wěn)定性。問題三，如何最后是時間比較環(huán)節(jié)，通過反復測試的校正參數(shù)保證了整個周期為20ms，實測誤差不精確控制測量周期？測量周期的計時原則上可以由上位機或下位機決定，但實際上Windows作為多任務操作系統(tǒng)根本難以保證毫秒級的時間穩(wěn)定性，而單片機從架構上來說就具有較好的時間穩(wěn)定性，因此我們設定由單片機程序進行測量周期的計時和比較。單片機程序的各個步驟都有一些微秒級的操作時間，這個時間是固定的，但唯有單片機與計算機通訊的命令受計算機影響時間穩(wěn)定性較差，有些類似程序沒有考慮周全導致程序整體的時間精確性達不到要求。我們的解決方案是把初始計時放在程序之首，然后就是數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)，之后是數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，大于0.05%。（3）核心代碼：3PC數(shù)據(jù)采集與圖形化顯示程序上述Arduino系統(tǒng)已經完成了超聲波測距、數(shù)據(jù)采集并向計算機發(fā)送的工作，最后還需要通過一定的Windows程序接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，并能以圖形化顯示。為此，我們用Vb6.0編寫了數(shù)據(jù)接收和顯示程序，并命名為“GeekFlash數(shù)據(jù)采集器”，如圖6是程序的運行界面和某次動態(tài)測距的曲線圖。限于篇幅，PC端程序不做詳細說明。4超聲波測距與采集在高中物理實驗中的實踐案例采用本系統(tǒng)測量重力加速度實驗的一組數(shù)據(jù)如表3所示，限于超聲波測距模塊的精度（實測在+-1mm左右），去除首尾無效數(shù)據(jù)，所測得的重力加速度在9.7～9.8左右，學生不僅可以通過圖像直觀了解物體下落過程位移隨時間變化的特點，也可以根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計算當?shù)刂亓铀俣戎?，在實驗誤差范圍內，其精確度、直觀性以及實驗效率均大大優(yōu)于打點計時器的效果。（圖7）參考文獻：[1]程晨。Arduino開發(fā)實戰(zhàn)指南：AVR篇[M].北京：機械工業(yè)出版社，2024.2聲速測量實驗篇三根據(jù)天津市委八屆三次全會提出的“三步走”戰(zhàn)略目標和五大戰(zhàn)略舉措，以建設世界名河為目的，海河綜合開發(fā)改造工程正在緊張有序地建設實施。海河堤岸改造是本工程的重要組成部分之一，又是先期實施的基礎工程，該工程從北運河的北洋橋至海河外環(huán)線橋，河道全長約20km，左右兩岸累計堤岸長約40km，起步區(qū)段為慈海橋至北安橋段和瓊州道至海河大橋段。按照海河綜合開發(fā)規(guī)劃，其堤岸工程斷面大多采用退臺式護岸，需對現(xiàn)狀護岸進行改造。劉莊橋下游段堤岸斷面在高程2.0m（大沽高程，下同）處設親水平臺，親水平臺與現(xiàn)狀地面之間設直墻式護岸，親水平臺與河岸邊多采用重力式擋土墻或板樁式護岸。該工程段(右岸)在埋深0～18m范圍內所涉及到的地層為第四系全新統(tǒng)松散堆積物，自上而下依次為：⑴人工填土層（rQ）：全區(qū)分布，該層由雜填土和素填土組成，層底高程-0.51～2.00m。⑵古河道、河漫灘沖積相新近沉積層（alQ43N）：全區(qū)分布，該層巖性變化不大，主要由粉質粘土及粉土組成，局部夾有淤泥質粉質粘土及淤泥質粉土透鏡體，層底高程-7.18～-6.54m。⑶第四系全新統(tǒng)中部海相層（mQ42）：全區(qū)分布，巖性由粉質粘土及粉土組成，局部夾有淤泥質粉質粘土透鏡體，層底高程-12.45～-10.53m。⑷第四系全新統(tǒng)下部陸相沉積層（alQ41）：巖性由粉質粘土及粉土組成，該層未揭穿，可見厚度大于7.00m。依據(jù)委托單位提供的設計及施工資料，本段地連墻總長度為308.33m，共分18個槽段，四種建筑類型，本次檢測其中一種類型（即I型），該類型地連墻厚0.6m、寬6.0m、深13.5m。按照國家和天津市的有關規(guī)定，并考慮本工程的具體情況和設計要求，確定檢測6個槽段，檢測比例為33.3%。檢測位置見圖1（圖中A、B、C為各檢測段號三個預埋聲測管）。2檢測原理與方法以介質的彈性特征為基礎，進行彈性波測試，以求得筑墻介質的物理力學指標。當彈性波在介質內傳播時，與介質本身的物理力學性質有著密切的關系，通過測取彈性波的波列記錄，可以取得一系列運動學和動力學參數(shù)，分析整理這些參數(shù)，來判定介質質量的優(yōu)劣，并提供定量依據(jù)。理論分析和實踐經驗表明，地連墻混凝土質量較好時，其聲波速度值較高或波幅值較大(信號強)，且波速離散性較??；而混凝土質量存在缺陷(離析、密實度差、強度低)時，其聲波速度值較低或波幅值減小(信號弱)，且波速離散性較大。檢測采用聲波穿透法，測試原理見圖2。其中由發(fā)射換能器激發(fā)的聲波經水的耦合傳播到聲測管，再在墻體混凝土介質中傳播，經接收端的聲測管由水耦合到接收換能器。根據(jù)本次檢測任務要求和現(xiàn)場各槽段聲測管的分布特點，施測時在每一槽段的三個預埋管中放入三個諧振頻率為50kHz的聲波換能器，中間管(圖1中B號管)放置發(fā)射換能器，兩側管(圖1中A號管和C號管)放置接收換能器。首先將三個換能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上實施觀測，測點距為0.25m，三探頭同步提升并進行測試，直至管口。測試儀器為國產WSD—2型數(shù)字聲波分析儀及其附屬設備。3數(shù)據(jù)整理與分析將實測數(shù)據(jù)進行歸納整理，按照式(1)計算聲波速度Vp(m/s)。Vp=L/T………………(1)式中：L——發(fā)射管與接收管外壁之間的水平距離(m)；T——聲波在距離L內的走時(s)。根據(jù)求得的聲波波速值繪制速度(Vp)——深度(H)曲線，并按照下列方法和步驟確定聲速臨界值，以此判定聲速異常區(qū)。（1）將同一檢測剖面各測點的聲速值由大到小依次排序，即Vp1≥Vp2≥…≥Vpi≥…≥Vpn-k≥…≥Vpn-1≥Vpn………………(2)式中：Vpi——按序排列后的第i個聲速(Vp)測量值；n——測點數(shù)；k——逐一去掉式(2)Vpi序列尾部最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)。（2）對逐一去掉Vpi序列中最小數(shù)值后余下的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計計算。當去掉最小數(shù)值的數(shù)據(jù)個數(shù)為k時，對包括Vpn-k在內的余下數(shù)據(jù)Vp1～Vpn-k按下列公式進行統(tǒng)計計算：Vp0=Vpm－λSx…………(3)…………………(4)………(5)上述式中：Vp0——異常判斷值；Vpm——n－k個數(shù)據(jù)的平均值；Sx——n－k個數(shù)據(jù)的標準差；λ——由表1查得的與n－k相對應的系數(shù)。（3）將Vpn-k與異常判斷值Vp0進行比較，當Vpn-k≤Vp0時，Vpn-k及其以后的數(shù)據(jù)均為異常，應去掉；再用數(shù)據(jù)Vp1～Vpn-k-1并重復式(3)～(5)計算步驟，直到Vpi序列中余下的全部數(shù)據(jù)滿足：Vpi＞Vp0，此時，Vp0為聲速的異常臨界值VpD。（4）聲速異常時的臨界值判據(jù)為：Vpi≤VpD，當其成立時，聲速可判定為異常。（5）當檢測剖面n個測點的聲速值普遍偏低且離散性較小時，宜采用聲速低限值判斷：Vpi＜VpL，其中Vpi——第i個測點聲速(m/s)；VPl——聲速低限值(m/s)，由預留同條件混凝土試件的抗壓強度與聲速對比試驗結果并結合實際經驗確定。當上式成立時，可直接判定為聲速低限值異常。表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)個數(shù)n－k與對應的λ值n-k202224262830323436384042444648λ1.641.691.731.771.801.831.861.891.911.941.961.982.002.022.04n-k505254565860626466687072747678λ2.052.072.092.102.112.132.142.152.172.182.192.202.212.222.23n-k80828486889092949698100105110115120λ2.242.252.262.272.282.292.292.302.312.322.332.342.362.382.39n-k125130135140145150160170180190200220240260280λ2.412.422.432.452.462.472.502.522.542.562.582.612.642.672.69（6）當采用斜率法的PSD值作為輔助異常點判據(jù)時，PSD值應按下列公式計算：PSD=K·T…………(6)………(7)T=Tpi－Tpi-1………(8)式中：Tpi——第i個測點的聲時(μS)；Tpi-1——第i－1個測點的聲時(μS)；Zi——第i個測點的深度(m)；Zi-1——第i－1個測點的深度(m)。根據(jù)PSD值在某深度處的突變，結合波幅變化情況，進行異常點判斷。（7）當采用信號主頻值作為輔助異常點判據(jù)時，主頻——深度曲線上主頻值明顯降低，可判定為異常。綜合上述分析，地連墻混凝土質量異常區(qū)應結合各聲學參數(shù)臨界值、PSD判據(jù)、混凝土聲速低限值以及混凝土質量可疑點加密測試后的結果等綜合判定，并確定混凝土缺陷的范圍和大小。4成果分析與質量評價綜合分析聲速(波幅)——深度曲線圖(典型曲線見圖3)并結合施工資料，對地連墻混凝土內部結構進行質量評價。（1）地連墻缺陷：以聲速臨界值（或聲速低限值）、聲速平均值以及波幅臨界值判據(jù)進行綜合分析判定。（2）地連墻混凝土均勻性按聲速離散系數(shù)Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分為A、B、C、D四級(見表2)。（3）根據(jù)地連墻混凝土聲學特征及其均勻性，是否存在缺陷以及缺陷的嚴重程度，將地連墻的內部結構質量分為四類：表2聲速離散系數(shù)級別表混凝土均勻性等級A級(均勻)B級(一般)C級(較差)D級(極差)Cv(%)Cv284.574.524.370.112.41C30整體質量優(yōu)良，綜合評價Ⅰ類，均勻性A級由本測段地連墻混凝土預留同條件混凝土試件的抗壓強度與聲速對比試驗結果并結合本市實際測試經驗確定該地連墻混凝土質量評價的聲速低限值為4.00km/s。4.484.110.204.46段11-I/3013.5>284.744.494.420.163.37C30整體質量較好，其中BC剖面在深8.0～8.5m處聲速小于低限值4.00km/s，綜合評價Ⅱ類，均勻性A～B級4.243.850.225.19段11-I/3113.5>284.654.504.300.183.87C30整體質量較好，其中AB剖面在深0～0.25m處聲速小于低限值4.00km/s，綜合評價Ⅱ類，均勻性A級4.364.130.122.75段12-I/359.00>284.424.424.150.143.17C30整體質量優(yōu)良，綜合評價Ⅰ類，均勻性A級。因C孔堵塞嚴重，BC剖面沒有進行檢測////段13-I/3613.5>284.444.584.200.122.70C30整體質量優(yōu)良，綜合評價Ⅰ類，均勻性A級4.724.380.183.81段13-I/3713.0>284.714.584.360.183.82C30整體質量優(yōu)良，綜合評價Ⅰ類，均勻性A級4.464.200.132.91段13-I/389.00>283.974.173.220.348.56C30質量一般，其中AB和BC剖面均在深0～1.0m處聲速小于低限值4.00km/s，綜合評價Ⅲ類，均勻性B級4.373.510.388.69段14-I/3911.0>284.604.514.360.122.61C30整體質量較好，其中BC剖面在深0～0.5m處聲速小于低限值4.00km/s，綜合評價Ⅱ類，均勻性A級4.434.100.163.61段15-I/4113.5>284.934.934.290.408.11C30整體質量較好，其中AB剖面在深0～0.75m處聲速小于低限值4.00km/s，綜合評價Ⅱ類，均勻性B級4.944.170.306.07通過對6個槽段計9個測區(qū)的檢測成果綜合分析和評價可得出如下檢測結果。（1）被檢測槽段中，混凝土內部結構整體優(yōu)良（Ⅰ類）4個，占所檢測槽段的44.4%；整體質量較好（Ⅱ類）4個，占所檢測槽段的44.4%；整體質量一般（Ⅲ類）1個，占所檢測槽段的11.2%。（2）被檢測槽段混凝土內部結構整體優(yōu)良或較好，局部槽段質量一般，在檢測的剖面中多存在聲測管管口附近混凝土質量較差。5結語以上詳細介紹了聲波穿透法在地連墻質量檢測中的應用及其數(shù)據(jù)處理和分析方法，由此可以看出，該法具有經濟、無損、快速、便于分析等優(yōu)點，因而在地連墻質量檢測中得到較為廣泛的應用。目前，應用地球物理探測技術對地下隱蔽工程的無損檢測已經取得了很大的進展，已由試驗研究階段轉向實用階段，并在工程實踐中不斷得到完善和提高。但由于地下隱蔽工程的施工工藝和填筑材料的不同，其存在的質量問題也不盡相同，因此對地下隱蔽工程質量的無損檢測難度也會更大，這就要求我們研究或尋找多種檢測技術或方法，綜合開發(fā)，綜合應用，綜合分析，有效地提高地下隱蔽工程質量檢測的精度，并查明工程內部的質量隱患類型和位置，更好地為工程建設服務，這將是我們今后努力的方向。參考文獻[1]劉康和。超聲回彈綜合法的工程應用[J].長江職工大學學報，2024,(1).[2]楊萍，劉康和?；炷练瞧茡p檢測技術應用與探討[J].電力勘測設計，2024,(2).聲速測量實驗篇四關鍵詞：聲速測量；駐波法；相位比較法；數(shù)據(jù)處理；Origin軟件；擬合直線中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044（2024）15-0261-03Abstract：Dataprocessingmethodsofsoundvelocitymeasurementexperimentfrequentlyusethegradualdeductionmethodandtheleastsquaremethod，butneedmorecalculation，andtheprocessiscomplicated.Inordertofacilitatethedataprocessing，inthispaperthevelocitymeasurementdataprocessingusingofOriginsoftwarewerestudied.Theresultsshowthatthefittinglineofstandingwavemethodandphasecomparisonmethodisequally，alsoshowthatthedatdofmeasuringsoundvelocityofthetwomethodshavegoodlinearrelationship.Butthemeasurementerrorofthephasecomparisonmethodislessthanthestandingwavemethod，illustratethephasecomparisonmethodonthesoundvelocitymeasurementisbetterthanthatofstandingwavemethod，butmaybecausedbythedataintervalmadegreatwhenusethephasecomparisonmethodtomeasure.whichneedsfurtherproof.Keywords：soundvelocitymeasurement；standingwavemethod；phasecomparisonmethod；dataprocessing；originsoftware；fittingline1概述聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的彈性機械波。頻率低于20Hz的聲波稱為次聲波，頻率在20～20000Hz的聲波稱為可聞波，而超過20000Hz的聲波稱為超聲波[1]。超聲波具有波長短，易于定向發(fā)射等特點，使得在超聲波段測量聲速比較方便。實際應用中超聲波傳播速度對于超聲波測距、定位、液體流速測定、溶液濃度測定、材料彈性模量測定等方面都有重要意義[2]。聲速測量方法可分為兩類：第一類方法是根據(jù)關系式V=l/t，測出傳播距離l和所需時間t后，即可計算出聲速；第二類方法是利用關系式V=λf，測出其波長λ和頻率f也可計算出聲速V[3-4]。本文用到的駐波法和相位比較法屬第二類方法，即利用聲速和波長、頻率的關系測量聲速。2實驗原理2.1駐波法實驗裝置如圖1所示，從發(fā)射換能器S1發(fā)出一定頻率的平面波，經過空氣傳播到接收換能器S2，一部分被接收并在接收換能器電極上有電壓輸出，一部分向發(fā)射換能器方向反射。如果換能器的接收平面和發(fā)射平面平行，則反射波和入射波將在兩端面間來回反射疊加[5-6]，由波的干涉理論可知，兩列反向傳播的同頻率波干涉將形成駐波，駐波中振幅最大的點稱為波腹，振幅最小的點稱為波腹。由于聲波傳播過程中出現(xiàn)能量損耗，兩列波形成的駐波并非理想駐波，但相鄰波腹（或波節(jié)）之間的距離剛好等于半波長的整數(shù)倍，即示波器觀察到的波形中相鄰振幅極大值（或極小值）之間的距離為半個波長[7]。改變兩只換能器間的距離l，同時用示波器監(jiān)測接收換能器上的輸出電壓幅值變化，可觀察到電壓幅值隨距離周期性的變化。若保證聲波頻率f不變，使用測試儀上的數(shù)顯尺記錄各相鄰電壓振幅極大值的位置，即可求出聲波波長λ，則聲速為因此，只要測出聲波頻率f和波長λ，就可利用（1）式計算出聲速[8]。2.2相位比較法波是振動狀態(tài)的傳播，也可以說是相位的傳播。聲波在傳播過程中各個點的相位是不同的，當發(fā)射端與接收端的距離發(fā)生變化，入射波和反射波的相位差也變化[9]。將發(fā)射換能器和接收換能器分別與示波器的Y1、Y2通道連接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分別輸入了兩只換能器所在處的聲波的簡諧振動信號，這兩個簡諧振動的振幅、頻率相同，干涉后形成的圖形稱為李薩如圖形。相位差不同時，李薩如圖形也不同，如圖2所示。實驗時改變S1、S2之間的距離l，相當于改變了入射波和反射波之間的相位差，在示波器上可觀察到相位的變化，即李薩如圖形的變化。當S1和S2之間的距離變化剛好等于一個波長λ時，則發(fā)射與接收信號之間的相位差也正好變化一個周期（即φ=2π），相同的圖形就會出現(xiàn)。實際上，從任何一個狀態(tài)開始觀察，只要李薩如圖形復原，S2移動的距離就為一個波長，但為了取得較為準確的實驗結果，實驗時以李薩如圖形變?yōu)橹本€時為記錄點。只要準確觀察記錄相位差變化一個周期時S2移動的距離，即可得出其對應聲波的波長λ，即可利用公式（1）計算出聲速V[10-14]。2.3空氣中聲速的理論值空氣中的聲速與環(huán)境溫度和濕度有關，若只考慮溫度的影響，聲速的理論計算式為：其中t為環(huán)境溫度，采用攝氏溫標，T0=273.15K，V0為0℃時的聲速，對于空氣介質V0=331.45m/s。根據(jù)（2）式可計算出t℃時空氣中聲速的理論值。3數(shù)據(jù)原始記錄根據(jù)前述實驗原理，聲速測量時首先要測量環(huán)境溫度t，本次實驗的環(huán)境溫度t=13.2℃。其次是測試系統(tǒng)的最佳工作頻率，如表1所示。用駐波法測聲速時，調節(jié)S1、S2之間的距離，使干涉波形的振幅達到極大值，記錄此時數(shù)顯尺的讀數(shù)l1，然后同方向移動S2，依次記錄振幅極大值時數(shù)顯尺的讀數(shù)l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比較法測聲速時，調節(jié)S1、S2之間的距離，使李薩如圖形出現(xiàn)一、三象限斜直線，記錄此時數(shù)顯尺的讀數(shù)l1，然后同方向移動S2，每出現(xiàn)5次一、三象限斜直線時記錄一次數(shù)顯尺讀數(shù)，分別記為l2、l3、……、l6，如表3所示，這樣兩個相鄰數(shù)據(jù)之間的差值為5個波長的長度。4數(shù)據(jù)處理及分析4.1空氣中聲速理論值環(huán)境溫度為13.2℃時，聲速的理論值：=339.364m/s4.2駐波法設擬合直線方程為y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打開Origin軟件后，界面上會出現(xiàn)兩列空白數(shù)據(jù)表格A（X）、B（Y），分別輸入1～12和l1～l12的值，以i為橫坐標，li為縱坐標，利用Origin進行線性擬合，擬合直線如圖1所示，擬合報告如表4所示。從圖1中可以看出擬合直線和理論曲線符合得較好，即i和li具有嚴格的線性關系，這也可以從擬合報告中看出，因為關聯(lián)系數(shù)r=0.99999，非常接近于1，所以理論曲線接近于直線。擬合報告中b=λ/2=4.76449，所以波長λ=9.52898≈9.529mm。因此聲速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s與理論值的誤E=（V-Vs）/Vs=0.88%。4.3相位比較法設擬合直線方程為y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打開Origin軟件后，界面與駐波法一樣，在數(shù)據(jù)表格A（X）、B（Y）中分別輸入1～6和l1～l6，以i為橫坐標，li作為縱坐標，利用Origin進行線性擬合，擬合直線如圖2所示，擬合報告如表5所示。從圖2中可以看出相位比較法的擬合直線效果與駐波法一樣，因為二者的關聯(lián)系數(shù)r=0.99999，非常接近于1，所以相位比較法測聲速時也可以得到較好的結果。擬合報告中b=5λ=47.39303，所以波長λ=9.478606≈9.479mm。因此聲速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s與理論值的誤差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。5結束語本文利用Origin軟件對聲速測量的實驗數(shù)據(jù)進行了處理，從結果上來看，駐波法和相位比較法測聲速在直線擬合時效果都較好，因為二者的關聯(lián)系數(shù)r一樣，所以兩種方法測得的實驗數(shù)據(jù)都具有良好的線性關系。但兩種方法測得聲速實際值與理論值的誤差不一樣，相位比較法的誤差小一些，說明相位比較法比駐波法在測聲速上具有優(yōu)勢。但也可能是數(shù)據(jù)間隔較大引起的，駐波法的數(shù)據(jù)間隔是半波長，相位比較法的是5個波長，這點有待筆者進一步證明。參考文獻：[1]李相銀。大學物理實驗[M].北京：高等教育出版社，2024.[2]劉書華，宋建民。物理實驗教程[M].北京：清華大學出版社，2024.[3]楊述武，趙立竹，沈國土。普通物理實驗1-力學、熱學部分[M].北京：高等教育出版社，2024.[4]吳定允，常加忠。大學物理實驗[M].河南：河南科學技術出版社，2024.[5]鄭慶華，童悅。聲速測量實驗的理論分析[J].宜春學院學報：自然科學，2024，28（4）：44-46.[6]馮登勇，王昆林。聲速測定實驗不確定度、誤差之比較研究[J].大學物理實驗，2024，27（1）：88-91.[7]張俊玲。駐波法測量聲速實驗的系統(tǒng)誤差分析[J].大學物理實驗，2024，25（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