申请/专利权人：安徽大学

申请日：2018-09-19

公开（公告）日：2024-04-09

公开（公告）号：CN109115326B

主分类号：G01H5/00

分类号：G01H5/00;G01H13/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.09#授权;2019.01.25#实质审查的生效;2019.01.01#公开

摘要：一种接收换能器角度可变的声速测定仪及其使用方法，它涉及一种测量最佳谐振频率和超声波声速实验装置，以解决现有最佳谐振频率和超声波声速实验测量方法测量结果误差较大的问题。包括有前固定杆和后固定杆固定连接的左支架和右支架，固定于左支架和右支架之间的刻度尺，平行设置于刻度尺下方的滑轨和螺杆，套装在滑轨和螺杆螺纹上的滑块，固定在滑轨上且套装在螺杆非螺纹段的固定块，位于右支架外侧且与螺杆连接的手轮，安装在固定块和滑块上的发射换能器和接收换能器，以及角度调节旋钮。本发明用于测量压电换能器最佳谐振频率和降低相位法超声波声速测量误差。

主权项：1.一种接收换能器角度可变的声速测定仪，包括有左支架（1）、滑轨（2）、螺杆（3）、刻度尺（4）、固定块（5）、发射换能器（6）、接收换能器（7）、角度调节旋钮（8）、滑块（9）、右支架（10）、手轮（11）、前固定杆（12）、后固定杆（13）；前固定杆（12）和后固定杆（13）固定连接左支架（1）和右支架（10），刻度尺（4）固定于左支架（1）和右支架（10）之间，滑轨（2）和螺杆（3）平行设置于刻度尺（4）下方且滑轨（2）位于螺杆（3）下方，滑块（9）套装在滑轨（2）和螺杆（3）螺纹上，固定块（5）固定在滑轨（2）上且套装在螺杆（3）非螺纹段，手轮（11）位于右支架（10）外侧且与螺杆（3）连接，发射换能器（6）和接收换能器（7）分别安装在固定块（5）和滑块（9）上，且接收换能器（7）的角度可由角度调节旋钮（8）调整；所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法包括以下步骤：S1、根据不同的测试目的，调节角度调节旋钮（8）使发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面成N度角，N=0或不为0；具体地，当压电换能器最佳谐振频率测试时，调节角度调节旋钮（8）使N不为0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面不平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度不会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而周期性变化；随后调节发射换能器（6）的驱动电信号频率，通过观察接收换能器（7）连接的示波器，当示波器中电信号幅度最大时，此时的驱动信号频率即为压电换能器的最佳谐振频率；当相位比较法测量波长时，调节角度调节旋钮（8）使N不为0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面不平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度不会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而周期性变化；随后将接收换能器（7）获得的电信号与信号发生器的驱动信号同时输入示波器，测试其构成的李萨如图形，通过调节手轮（11），连续改变接收换能器（7）的位置，根据示波器上李萨如图形变化记录刻度尺（4）上读数，从而获得波长值；当共振法测量波长时，调节角度调节旋钮（8）使N=0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而有明显周期性变化；随后将接收换能器（7）获得的电信号输入示波器，通过调节手轮（11），连续改变接收换能器（7）的位置，根据示波器上波形幅度变化记录刻度尺（4）上读数，从而获得波长值；S2、获取驱动信号频率或者刻度尺读数。

全文数据：一种接收换能器角度可变的声速测定仪及其使用方法技术领域本发明涉及物理实验装置，具体是一种接收换能器角度可变的声速测定仪及其使用方法。背景技术通过声速测量可以获得被测物质的性质、状态及速度变化，广泛应用于测距、液体流速、定位、弹性模量等方面。声速测量实验也是物理实验中一个非常经典的综合性实验。在声速测量实验教学中，一般先确定好压电换能器的最佳谐振频率，在不改变压电换能器驱动频率条件下，再利用共振法或相位比较法确定波长。为了获得非常强的声波信号，发射端压电换能器和接收端压电换能器的端面保持平行，另外共振法测波长时两压电换能器端面平行也有利于保证明显的驻波共振现象，因此现有物理实验中的声速测定仪发射端压电换能器和接收端压电换能器的端面保持平行且角度保持固定。但是由于发射端和接收端的相互平行固定设置会在实验过程中导致两个明显问题：（1）两压电换能器相互平行设置使得驻波共振效应干扰最佳谐振频率点测定，现有实验仪器获得的所谓最佳谐振频率实质是共振效应以及换能器谐振频率的综合结果（高等函授学报,第25卷,第4期,2012年,页码:75-77），并不是换能器真实的最佳谐振频率点；（2）在利用相位比较法获得声波波长过程中，由于两压电换能器相互平行，会有很强的反射波到达接收端，从而干扰相位的测量，增大了声速测定仪的测量误差。因此，为便于压电换能器最佳谐振频率的测量以及降低相位法声速测量误差，迫切需要一种接收换能器角度可变的声速测定仪。发明内容本发明的目的是提供一种接收换能器角度可变的声速测定仪及其使用方法，以解决现有物理实验中声速测定仪在压电换能器最佳谐振频率测量以及相位法声速测量方面存在的问题。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种接收换能器角度可变的声速测定仪，包括有左支架、右支架、刻度尺、前固定杆、后固定杆、螺杆、滑轨、固定块、滑块、手轮、发射换能器、接收换能器、角度调节旋钮。前固定杆和后固定杆固定连接左支架和右支架，刻度尺固定于左支架和右支架之间；为了保证滑块运动始终在一水平线上平移，滑轨和螺杆平行设置于刻度尺下方且滑轨位于螺杆下方；滑块套装在滑轨和螺杆螺纹上，固定块固定在滑轨上且套装在螺杆非螺纹段，手轮位于右支架外侧且与螺杆连接，发射换能器和接收换能器分别安装在固定块和滑块上，且接收换能器的角度可由角度调节旋钮调整。调节手轮可以改变滑块和接收换能器的位置，角度调节旋钮可以改变接收换能器的角度，从而控制反射波对接收换能器测量的影响。一种所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法，包括以下步骤：S1、根据不同的测试目的，调节角度调节旋钮使发射换能器和接收换能器的端面成N度角，N=0或不为0；S2、获取驱动信号频率或者刻度尺读数。优选地，当压电换能器最佳谐振频率测试时，调节角度调节旋钮使N不为0，即发射换能器和接收换能器的端面不平行，且当通过手轮移动接收换能器的位置时，接收换能器的电信号幅度不会随着发射换能器和接收换能器距离改变而周期性变化；随后调节发射换能器的驱动电信号频率，通过观察接收换能器连接的示波器，当示波器中电信号幅度最大时，此时的驱动信号频率即为压电换能器的最佳谐振频率。优选地，当相位比较法测量波长时，调节角度调节旋钮使N不为0，即发射换能器和接收换能器的端面不平行，且当通过手轮移动接收换能器的位置时，接收换能器的电信号幅度不会随着发射换能器和接收换能器距离改变而周期性变化；随后将接收换能器获得的电信号与信号发生器的驱动信号同时输入示波器，测试其构成的李萨如图形，通过调节手轮，连续改变接收换能器的位置，根据示波器上李萨如图形变化记录刻度尺上读数，从而获得波长值。优选地，当共振法测量波长时，调节角度调节旋钮使N=0，即发射换能器和接收换能器的端面平行，且当通过手轮移动接收换能器的位置时，接收换能器的电信号幅度会随着发射换能器和接收换能器距离改变而有明显周期性变化；随后将接收换能器获得的电信号输入示波器，通过调节手轮，连续改变接收换能器的位置，根据示波器上波形幅度变化记录刻度尺上读数，从而获得波长值。本发明构建的声速测定仪，在测量压电换能器最佳谐振频率时，调节接收换能器角度调节旋钮使发射换能器和接收换能器端面不平行，消除经发射端反射的声波干扰，避免共振效应的负面影响，获得压电换能器的最佳谐振频率点；相位比较法测波长时，调节接收换能器角度调节旋钮使发射换能器和接收换能器端面不平行，使得接收换能器仅接收到发射换能器发射的声波，避免了反射波对相位测量的干扰；共振法测波长时，调节接收换能器角度调节旋钮使发射换能器和接收换能器端面平行，以获得显著的驻波共振现象。最佳谐振频率测试和相位比较法测波长时，如果发射换能器和接收换能器距离较短，则接收换能器端面应调整到偏离两换能器平行位置更大角度，确保降低反射波干扰。本发明的优点在于接收换能器角度可以变化，从而可以提高压电换能器最佳谐振频率点和相位法测波长的测量精度。附图说明图1为本发明的结构示意图。附图标记：1、左支架，2、滑轨，3、螺杆，4、刻度尺，5、固定块，6、发射换能器，7、接收换能器，8、角度调节旋钮，9、滑块，10、右支架，11、手轮，12、前固定杆，13、后固定杆。具体实施方式为更好理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅是对本发明进行说明而非对其加以限定。如图1所示，一种接收换能器角度可变的声速测定仪，包括有左支架1、滑轨2、螺杆3、刻度尺4、固定块5、发射换能器6、接收换能器7、角度调节旋钮8、滑块9、右支架10、手轮11、前固定杆12、后固定杆13。前固定杆12和后固定杆13起到固定左支架1和右支架10的作用，刻度尺4固定于左支架1和右支架10之间，滑轨2和螺杆3平行设置于刻度尺4下方且滑轨2位于螺杆3下方为了保证滑块运动始终在一水平线上平移，滑块9套装在滑轨2和螺杆3螺纹上，固定块5固定在滑轨2上且套装在螺杆3非螺纹段。手轮11位于右支架10外侧且与螺杆3连接，发射换能器6和接收换能器7分别安装在固定块5和滑块9上，且接收换能器7的角度可由角度调节旋钮8调整。调节手轮11可以改变滑块9和接收换能器7的位置，但固定块5和其上的发射换能器6的位置不变，角度调节旋钮8可以改变接收换能器7的角度，从而控制反射波对接收换能器测量的影响。在测量压电换能器最佳谐振频率时，调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面不平行，消除经发射端反射的声波干扰，避免共振效应的负面影响，获得压电换能器的最佳谐振频率点；相位比较法测波长时，调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面不平行，使得接收换能器7仅接收到发射换能器发射的声波，避免了反射波对相位测量的干扰；共振法测波长时，调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面平行，以获得显著的驻波共振现象。最佳谐振频率测试和相位比较法测波长时，如果发射换能器和接收换能器距离较短，则接收换能器端面应调整到偏离两换能器平行位置更大角度，确保降低反射波干扰。实施例1压电换能器最佳谐振频率测试时，先调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面不平行，通过调节手轮11前后移动接收换能器7位置，如果接收换能器7电信号幅度没有随着发射换能器6和接收换能器7距离改变而周期性变化，说明接收换能器角度调节已合理，固定接收换能器7位置，调节发射换能器6的驱动电信号频率，通过观察接收换能器7连接的示波器，当示波器中电信号幅度最大时，此时的驱动信号频率即为压电换能器的最佳谐振频率。实施例2相位比较法测量波长时，先调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面不平行，通过调节手轮11前后移动接收换能器7位置，如果接收换能器7电信号幅度没有随着发射换能器6和接收换能器7距离改变而周期性变化，说明接收换能器角度调节已合理，将接收换能器7获得的电信号与信号发生器的驱动信号同时输入示波器，测试其构成的李萨如图形，通过调节手轮11，连续改变接收换能器7的位置，根据示波器上李萨如图形变化记录刻度尺上读数，从而获得波长值。实施例3共振法测量波长时，先调节接收换能器角度调节旋钮8使发射换能器6和接收换能器7端面平行，通过调节手轮11前后移动接收换能器7位置，如果接收换能器7电信号幅度随着发射换能器6和接收换能器7距离改变而有明显周期性变化，说明接收换能器角度调节已合理，将接收换能器7获得的电信号输入示波器，通过调节手轮11，连续改变接收换能器7的位置，根据示波器上波形幅度变化记录刻度尺上读数，从而获得波长值。以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

权利要求：1.一种接收换能器角度可变的声速测定仪，包括有左支架（1）、滑轨（2）、螺杆（3）、刻度尺（4）、固定块（5）、发射换能器（6）、接收换能器（7）、角度调节旋钮（8）、滑块（9）、右支架（10）、手轮（11）、前固定杆（12）、后固定杆（13）；前固定杆（12）和后固定杆（13）固定连接左支架（1）和右支架（10），刻度尺（4）固定于左支架（1）和右支架（10）之间，滑轨（2）和螺杆（3）平行设置于刻度尺（4）下方且滑轨（2）位于螺杆（3）下方，滑块（9）套装在滑轨（2）和螺杆（3）螺纹上，固定块（5）固定在滑轨（2）上且套装在螺杆（3）非螺纹段，手轮（11）位于右支架（10）外侧且与螺杆（3）连接，发射换能器（6）和接收换能器（7）分别安装在固定块（5）和滑块（9）上，且接收换能器（7）的角度可由角度调节旋钮（8）调整。2.一种权利要求1所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据不同的测试目的，调节角度调节旋钮（8）使发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面成N度角，N=0或不为0；S2、获取驱动信号频率或者刻度尺读数。3.根据权利要求2所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法，其特征在于：当压电换能器最佳谐振频率测试时，调节角度调节旋钮（8）使N不为0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面不平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度不会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而周期性变化；随后调节发射换能器（6）的驱动电信号频率，通过观察接收换能器（7）连接的示波器，当示波器中电信号幅度最大时，此时的驱动信号频率即为压电换能器的最佳谐振频率。4.根据权利要求2所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法，其特征在于：当相位比较法测量波长时，调节角度调节旋钮（8）使N不为0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面不平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度不会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而周期性变化；随后将接收换能器（7）获得的电信号与信号发生器的驱动信号同时输入示波器，测试其构成的李萨如图形，通过调节手轮（11），连续改变接收换能器（7）的位置，根据示波器上李萨如图形变化记录刻度尺（4）上读数，从而获得波长值。5.根据权利要求2所述的接收换能器角度可变的声速测定仪的使用方法，其特征在于：当共振法测量波长时，调节角度调节旋钮（8）使N=0，即发射换能器（6）和接收换能器（7）的端面平行，且当通过手轮（11）移动接收换能器（7）的位置时，接收换能器（7）的电信号幅度会随着发射换能器（6）和接收换能器（7）距离改变而有明显周期性变化；随后将接收换能器（7）获得的电信号输入示波器，通过调节手轮（11），连续改变接收换能器（7）的位置，根据示波器上波形幅度变化记录刻度尺（4）上读数，从而获得波长值。

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