超声波在空气中的传播速度实验
一、故障及排除方法：
1．现象：用驻波法测声速时，移动换能器，示波器接收到的输出电压波形无大小变化。
原因：
（1）测量线损坏。
（2）发射换能器和接收换能器不垂直、不平行。
（3）示波器相关功能档位设置不合适。
（4）信号发生器输出频率偏离换能器固有谐振频率太大。
排除方法：
（1）更换测量线。
（2）调节发射换能器和接收换能器垂直、平行。
（3）调节示波器相关功能档位设置。
（4）调节信号发生器输出频率靠近换能器固有谐振频率。
2．现象：用相位法测声速时，李萨如图形只在一个方向大小变化，无法判定相位差。
原因：
（1）示波器工作方式未置于“X-Y方式”。
（2）示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端接到同一个端口造成该现象。
排除方法：
（1）应将示波器工作方式置于“X-Y方式”。
（2）应将示波器通道1（CH1）、通道2（CH2）测量端分别接发射换能器输入端和接收换能器输出端。
二、仪器维护：
1．凯特摆在长期不使用时，要在刀口处加入润滑由，然后用布盖住防尘，
摆捶要取下，摆捶最好要垂直吊挂，以免发生微小形变（弯曲）。
2．示波器在使用过程中避免长时间出现一个亮点，也不宜过亮，这样可以延长示波管的使用寿命。信号源的按键由于使用频繁，所以要定期检查，看档位有没有发生错位现象，用频率计等仪器来校验输出频率是否在允许的误差范围内，再加以调整校对。
超声波在固体中传播速度的测量 在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 【实验目的】 1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。 3、熟悉数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】 时差法测量原理： 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图5-5 发射波与接收波 【仪器与器材】 SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）
【实验内容与步骤】 1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤 图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图 （1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。 （2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。 （3）这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1 。移开接收换能器， 将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持 良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。 则声速C i =（L i -L i-1 ）/（t i -t i-1 ）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的 传播速度，填入表5-3中。 （4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于两换能器之间就可进行测量。 因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。 2. 液体介质声速的测量 当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。 使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。 【注意事项】 1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。 2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴 到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。3、数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】 1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。 （1）三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。 （2）每个长度所测得相对应的时间。
超声波在车辆测速中的应用 随着交通系统的发展，越来越多的传感器被应用在交通系统中。其中超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波是频率高于2O kHz 的声波，其波长短，方向性好．穿透能力强。它在医学、军事、工业、农业上有很多的应用，可用于测距，测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播，遇到障碍物会反射回来，由发射与接收的时间差，可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比，超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测。在交通系统中，利用超声波传感器测距测速有很重要的意义，不仅能采集到交通数据进行状态评估，而且还能有效地避免交通事故的发生。在智能交通系统中，超声波传感器被安装在路边来测量通过车辆的速度，判断是否超速。在无人驾驶智能车上安装超声波传感器，可以自动检测前车的距离，防止追尾事故；同时还可以检测前车的速度，做出是否超车的判断。 测量原理 超声波测距模块到障碍物的距离 S=（△T×V0）/2 (1) 式中：△T为超声波由发射到接受的用时：V0为超声波在空气中的传播速度，且 与温度的关系为V0=331.5+0.6T (2) 式中T为环境摄氏温度。根据式（2）进行声速修正可提高测量精度。当超声波传感器静止，被测物体以相对声速低速运动时，假设t1时刻测得被测物体与传感器距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则超声波传感器与被测物体之间的相对速度 V=（s2-s1）/(t2-t1) (3) 当传感器装在车上进行运动测速时，如图1.1所示，假设车A运动速度为V1, 假设t1时刻测得前车B与车A距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则两车相对速度为 △ V=（s2-s1）/(t2-t1)（4） 可以得到车B的速度为V2=V1+△V。 设计实现 硬件设计 主芯片为飞思卡尔xls128,控制舵机的转动，33886驱动电路，驱动电机转动，同时光电传感器检测道路信息，将采集到的路面信息传回单片机，控制智能车的行驶方向。超声波传感器模块由一个发射器和接收器构成，单片机控制发射器发出频率为40kHz的脉冲，并开始计时，遇到最近障碍物反射回接收器，计时结束，通过发射接受的时间间隔计算出距离。
光的传播颜色 ●教学目标 一、知识目标 1.了解光源，知道光源大致分为自然光源和人造光源两类. 2.理解光沿直线传播及其应用. 3.了解光在真空和空气中的传播速度c=3×108 m/s. 4.了解色散现象.知道色光的三原色和颜料三原色是不同的. 二、能力目标 1.观察光在空气中和水中传播的实验现象，了解实验是研究物理问题的重要方法. 2.阅读“科学世界我们看到了古老的光”的内容，了解光可以反映宇宙的信息，感悟宇宙之宏大. 3.探究色光的混合与颜色的混合，获得有关的知识，体验探究的过程与方法. 三、德育目标 1.观察、实验以及探究的学习活动，培养学生尊重客观事实、实事求是的科学态度. 2.通过亲身的体验和感悟，使学生获得感性认识，为后继学习打基础. 3.通过探究性物理学习活动，使学生获得成功的愉悦，乐于参与物理学习活动. ●教学重点 光的直线传播. ●教学难点 用光的直线传播来解释简单的光现象. ●教学方法 探究法、实验法、观察法. ●教学用具 演示用：激光演示器、盛有水的水槽、手电筒、白炽台灯、棱镜、带狭缝的屏、白屏 学生用：两块带有小孔的硬纸板、彩色蜡笔、陀螺、水彩、毛笔、水、白纸. ●课时安排 1.5课时 ●教学过程 一、创设问题情境，引入新课 ［师］在生活中有很多奇妙的现象：如打雷时，雷声和闪电在同时同地发生，但为什么我们总是先看到闪电后听到雷声？人的影子为什么早晚长中午短呢？在开凿大山隧道时，工程师们用什么办法才能使掘进机沿直线前进呢？神话中传说王母娘娘拆散了牛郎和织女的幸福家庭，他们化作天上的两颗星，只能在每年农历七月初七渡过银河相会一次，他们能否每年相会一次呢？大家想知道上述问题的答案吗？ 学生异口同声地回答：想. 教师紧接着进入新课教学. 二、新课教学 （一）光源
光在大气中传播及应用 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。 1.大气衰减 激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 （1）大气分子吸收 大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。 H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。 表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。
测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。 【实验目的】 1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。 3. 了解产生和接收超声波的原理。 【预习思考题】 1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？ 2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？ 3. 如何确定最佳工作频率？ 4.相位法中比较的相位是哪两个相位？ 【实验仪器】 示波器，声速测试仪，信号发生器。 【实验原理】 1. 声速的测量 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声
源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ n l = （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ?为2 λ，即 2λ =?x ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ?，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2λ =?d ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ?。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
热点48 光在棱镜中的传播 高考真题 1. （2020年1月浙江选考）如图所示，波长为a λ和b λ的两种单色光射人三棱镜，经折射后射出两束单色光a 和b ，则这两束光 A.照射同一种金属均有光电子逸出，光电子最大初动能E Ka >E Kb B.射向同一双缝干涉装置，其干涉条纹间距a x ?>b x ? C.在水中的传播速度v a 一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。 二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用 光的传播（导学案） 一、学习目标： 1、明确什么是光源； 2：知道光在均匀介质中的传播特征，并能用其解释生活实例；（重点、难点） 3、知道光在真空中的传播速度； 二、预习检测（自学教材98---100页，完成下列填空与课本99页填空） 1、正在的物体叫光源，例如在太阳、月亮、蜡烛、白炽灯中，不是光源的是__________. 2、光在中是沿直线传播的，如等都是光沿直线传播形成的；光在真空中的传播速度是____km/s.在其他透明介质的传播速度____这个速度 3、闪电和雷声是同时发生的.我们先看到闪电，后听到雷声的原因是_________________. 4为了表示光的传播情况，通常用一条带箭头的直线表示光的和，这样的直线叫。 三、析疑解难 1、什么是光源，举出天然光源和人造光源的例子。 2、探究光的传播特征。（小组合作探究） 3、使用举例：生活中那些现象可用光的直线传播解释，试解释说明。 4、区分光和光线。 5、了解光速：记忆光在真空中的传播速度。 四、当堂检测 1、能够＿＿＿＿的物体叫光源。①太阳②月亮③星星④碎玻璃片⑤蜡烛的火焰⑥钻石萤火虫⑦小彩灯。上述物体中一定是光源的是＿＿＿＿＿＿，一定不是光源的是＿＿＿＿＿，可能是光源也可能不是光源的是＿＿＿＿＿＿ 2、太阳光照到月球上经过1.28s后反射到地面，则地球到月球间的距离为（） A、3.84×108m B、3.84×105m C、1.92×108m D、1.92×105m 3．1光年表示，是（选填）的单位。A．时间B．质量C．长度D．速度 4、下列现象不能用光沿直线传播解释的是 A.栽小树时用眼检查可栽成一条直线 B.日食现象 C.在岸边可看见水中的月亮 D.灯光下物体的影子 5、.晚上，人在马路上走过一盏路灯的过程中，其影子的长度变化情况是 2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3） 式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用 超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计： 超声波传播速度的测量 一、实验内容 1.用相位比较法测量声速； 2.用共振干涉法测量声速； 3.通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。 二、实验仪器 SVX-5型声速测试仪信号源 SV-DH系列声速测试仪 实验装置 三、预备知识介绍 1.声波 频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 2.压电陶瓷换能器 压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T 时，在极化方向上产生一定的电场强度E 且具有线性关系：T g E ?=,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U 加在压电材料上时，材料的伸缩形变S 与U 之间有简单的线性关系： U d S ?=，即电→力，称为逆压电效应。其中g 为比例系数，d 为压电常数，与材料的性质 有关。由于E 与T ，S 与U 之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转 图1 纵向换能器的结构 曲振动换能器。图1所示为纵向换能器的结构简图。 四、实验原理 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ ,其中 υ为波速, λ为波长,f 为频率。 图2 实验装置 正负电极片 后盖反射板压电陶瓷片辐射头 测量超声波在空气中的传播速度 【实验目的】 1. 学会使用共振干涉法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 学会用逐差法进行数据处理。 3. 了解声速与气体参数的关系。 【实验原理】 由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射与接收一般是通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： νf λ =( 1 ) 测出声波波长λ和声源的振动频率f就可以由式（1）求出声波的传播速度。声波频率f可通过频率计测得，本实验的主要任务是测出声波波长λ。 1.共振干涉法 实验装置如图 图1 共振干涉实验装置 图2 图中s1和s2为压电晶体换能器，s1作为声波源，它被振荡频率可以调节的低频信号发生器输出的电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向周围空气定向发出一近似平面声波；s2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当s1和s2的表面互相平行时，声波就在两个平面间反射，相互干涉。 经数学运算可知，在接收器s2表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹；在发射器s1表面，则情况较为复杂，其振幅与两个表面的间距有关，所以其振幅随s1和s2表面的间距L 而变，当 ?+=2 λn L ,n=0,1,2,3,....,λ≤?, 振幅为极大值，称为共振。这是接收器s2接收到的声压也是极大值，经接收器转换成的电信号也是极大值（参见图2）。 图中各极大值之间的距离均为λ/2,由于衍射和其他消耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减少。我们只要测出与各极大值对应的接收器s2的位置，就可以测出波长λ。 若用游标卡尺测出20个极大值的位置，并依次算出每经10个λ/2的距离： 2 10 111111λ =-=?-L L L , 210 212212λ =-=?-L L L , ............................................ 210 10201020λ =-=?-L L L 把等式两边各自相加，得 用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度【目的要求】 1. 进一步熟悉信号发生器和示波器的使用； 2. 了解超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解； 3. 用相位法和共振法测定超声波在空气中的传播速度。。 【引言】 声音是由于声源的振动而产生的，它通过周围弹性媒质的振动向外传播而形成声波(纵波)。声波的波长、强度、传播速度等是声波的重要性质，其中声速的测量在实际应用中有着十分重要的意义。 声速可以利用它与频率和波长之间的关系( )来测量，其中波长的测量是解决问题的关键。既然声音是以波的形式传播，就有可能利用驻波法测定其波长，进而确定其波速。其中共鸣管就是测定声音在空气中传播速度的一种装置。 频率在之间的声波称为超声波，它具有波长短、能定向传播等优点。超声波在测距、定位、测液体流速、测材料弹性模量以及测量气体温度瞬间变化等方面有着广泛的应用。本实验还将利用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度，通过本实验可以进一步了解声波在空气中传播速度与气体状态参量的关系以及超声波产生和接收的原理，加深对相位概念的理解等。 【实验原理】 声波的传播速度v与声波频率f和波长的关系为： (11.1) 可见，只要测出声波的频率和波长，即可求出声速。f可由声源的振动频率得到，因此，实验的关键就是如何测定声波波长。 根据超声波的特点，实验中可以采用几种不同的方法测出超声波的波长： １．相位法： 波是振动状态的传播，也可以说相位的传播。 沿传播方向上的任何两点，如果其振动状态相同 (同相)或者说其相位差为的整数倍，这时两点间的距离应等于波长的整数倍，即： (11.2) 利用式 (11.2) 可精确地测量波长。 由于发射器发出的是近似于平面波的声波(图 11-5),当接收器端面垂直于波的传播方向时，其端面上各点都具有相同的相位。沿传播方向移动 接收器时，总可以找到一个位置使得接收到的信 号与发射器激励信号同相。继续移动接收器，直 到接收的信号再一次和发射器的激励电信号同相 时，移过的距离必然等于声波的波长（注意：由 于示波器、换能器等产生的相移，实际上并不一 定和声源同相，总是有一定的相位差，但这对于 实验中波长的测量并无影响）。 ①用双线示波器直接进行相位比较： 为了判断相位以测定波长，可以利用双线示波器直接比较发射器信号和接收器信号。沿传播 方向移动接收器寻找同相点即可实现。如图11-2 所示。 ②李萨如图形法： 如图11-3所示，利用图形寻找同相或反相时椭圆退化为右或左钭直线的点，其优点是直钭 线情况判断相位差最为敏锐。 ２．共振法： 如前所述，由发射器发出的声波近似于平面波。 经接收器反射后，波将在两端面间来回反射并且叠加。叠加的波可近似地看作具有驻波加行波的特征。 由纵波的性质可以证明，当接受器端面按振动位移来说处于波节时，则按声压来说是处于波腹。当发生共振时，接收器端面近似为波节，接收到的声压最大，经接收器转换成的电信号也最强，声压变化和接收器位置的关系可从实验中测出(图11-4)。当接收器端面移动到某个共振位置时，如果示波器上出现了最强的电信号，继续移动接收器，将再次出现最强的电信号，则两次共振位置之间的距离即为 。 【仪器用具】 光的传播速度 真空中电磁波的传播速度。真空中电磁波的传播速度是一个重要的物理量，人们最初通过测量可见光的传播速度得到它的数值，因此称为光速。 目前，国际公认的真空中光速c 的数值为：с＝299792458米/秒。 17世纪前，天文学家和物理学家以为光速为无限大，宇宙中恒星的光都是瞬时到达地球的。意大利物理学家伽利略首先对上述论点提出怀疑，为了证明光速的有限性，他在1600年左右曾做过粗糙的实验，但未获得成功。 1676年，丹麦天文学家O ．C ．罗默利用观测木星第一个卫星的星食到达时间的变化，首次测量了光速。因为木星和地球的轨道运动周期不同，木星和地球两者之间的距离在不断变化，最大距离与最小距离之差等于地球轨道的直径。罗默发现星食变化周期为13个月，角度起伏约为20秒。这个周期正是地球从距离木星的一个最近位置运行到下一个最近位置的时间。从上述一个位置出发可以估计六个半月后地球到达与木星最远距离时发生星食的时间。罗默发现，在最远距离时比最近距离处星食发生的时间延迟了22分钟，他认为这是因为光飞行需要有限速度引起的。但这个解释当时并未被人们接受。 1727年，英国天文学家J ．布拉得雷观测到光行差现 象，即星的表观位置在地球轨道速度方向上的位移。根据 光行差角α＝v /c (v 是地球轨道速度)，可以估算光速值， 这项独立观测使科学家确认了罗默当年所观测的木星卫 星食的延迟就是光速有限的有力论据。 1849年，法国物理学家菲索用齿轮法首次在地面实验 室中成功地进行了光速测量。他的实验装置如图所示。图 中光源S 发出的光束在半镀银的镜子G 上反射，经透镜 L 1聚焦到O 点，从O 点发出的光束再经透镜L 2变成平行 光束。经过8.633千米后通过透镜L 3会聚到镜子M 上， 再由M 返回原光路达G 后进入观测者的眼睛。置于O 点 的齿轮旋转时把光束切割成许多短脉冲，他用的齿轮有 720个齿，转速为25转／秒时达到最大光强，这相当于每 个光脉冲往返所需时间为1/18000秒，往返距离为17．34千米，由此可得с＝312000千米／秒。 1926年，美国实验物理学家迈克尔逊用旋转镜法改进了斐索实验，他用了一个八面体的转镜，测量的光速平均值为299796±4千米／秒。1929年，他又在真空中重复了上述实验，平均值为299774千米／秒。后来，有人用光电开关代替齿轮转动来改进斐索实验，称为克尔盒法。这种方法比旋转镜法的准确度 (10-5量级)又有所提高，达到了10-7量级。 1952年，英国实验物理学家K ．D ．弗罗姆用微波干涉仪法测量光速值，得到数值为 c ＝299792．50±0．10（千米/秒）。 1957年，国际无线电科学协会(URSI)、国际大地测量学和地球物理学协会(IUGG)分别推荐上述结果作为国际推荐值使用，一直沿用到1973年为止。 1972年，美国标准局的K ．M ．埃文森等人采用直接测量激光频率和真空波长值的方法，用两者的乘积得出真空中光速值，即c =f λ。他们建立了从铯频率基准经过一系列激光器直至由甲烷稳定的氦氖激光器的激光频率链，经过逐级倍频和差频的检测，最终测得甲烷谱线 v 3带P(7)支) 2(2F 分量的频率值为 f (CH 4)=88376181627±50（千赫）， 测量不确定度为±6×10-10;用干涉法测得甲烷谱线的真空波长值为 λ(CH 4)＝3392231．40×10-15(米)， 不确定度为±4×10-9。由此可得 с＝=299792458±1．2（米/秒）。 1973年召开的第 5届米定义咨询委员会和1975年召开的第15 届国际计量大会先后确认上述光速值 2.1 大气折射率 在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下： n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n 1 （r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。 2. 2 大气湍流描述 自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。 2. 3 折射率湍流模型 在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。因此，有必要用统计方法来描述这种介质。考虑到湍流大气的折射率是随空间、时间和波长而变化的，因此可用空间、时间和波长的随机函数来描述湍流大气折射率 n(r,t,λ ) = n 0(r,t,λ ) + n 1 (r,t,λ ) (2. 3.1) 在(2.3.1)式中，n 0是n的确定性部分，对湍流大气而言，可近似地取n ≈1 ,n 1 （r,t,λ）表示n(r,t,λ )围绕平均值E[n] = n ≈1的随机涨落。 大气湍流可以用Kolmogorov 理论描述。大气中大的漩涡的能量被重新分配， 随着能量损失，大的湍流的尺寸减小, 直到消散。n 1 的结构函数定义为超声波传感器测距原理
光的传播导学案
超声波特性
超声波测距电路
5.超声波传播速度的测量
测量超声波在空气中的传播速度
用声速测量仪测定超声波在空气中的传播速度
光的传播速度
第二章 光在湍流大气中传输的理论概述
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