书痴者文必工，艺痴者技必良，下面是小编燕子给大伙儿收集整理的声速的测定实验报告优秀10篇。
关键词：DCP；流量测验；常见问题；解决方法
Abstract: Along with the rapid development of electronic technology, acoustic doppler how the invention of the technology and into the flow field test is a revolution of the flow test, the test has no disturbance ADCP flow, a flow was measured, how the characteristics of diachronic short, can improve the flow of representative, reduce test strength, is the world's most advanced flow test equipment. This paper go navigation type discussed ADCP flow test.
Keywords: DCP; flow test; common problem; solution.
中图分类号：P332.4文献标识码：A文章编号：
ADCP 是英文Acoustic Doppler Current Profilers 的简称，即声学多普勒流速剖面仪。它是利用声学多普勒原理研制的目前世界上最先进的河流流速流量实时测量设备。ADCP 测验设备实际上包括：ADCP换能器（4个探头）以及ADCP 操作软件等2个主要部分组成。利用声学原理，ADCP向水体发射一个（一对或一组）声脉冲，这些声脉冲碰到水体中悬浮的且随水体运动的微粒后产生反射波，并记录发射波与反射波之间的频率改变，这个频率改变即称多普勒频移，可据此计算出水流相对于ADCP的速度。同时，还向河底发射底跟踪声脉冲，测出ADCP安装平台（测船）的运动速度以及水深，然后将水流相对速度扣除船速得到水流的绝对速度。
1 ADCP流量测验特点
1.1 ADCP同常规流速仪测验比较
ADCP因能测量剖面的水流速度而出名，一个流速剖面可以粗略地比同于流场中有许多流速仪悬挂在同一竖直方向的区域（见图1）。理论上，每一个常规流速仪所测的流速同ADCP所测该单元水层的中心流速相一致。然而，一串流速仪所测流速并不完全同ADCP所测剖面类似。常规流速仪测量剖面上某一点的水流速度，而ADCP所测并赋予一个水深单元的流速是该样本单元中心的平均流速。
图1 一串常规流速仪同ADCP测量垂线（剖面）流速比较
1.2 航线的独立性
ADCP所测断面的流量是流经垂直于航线垂直向下投影至河底的表面的水流总量，该流量与船只从河流此岸至彼岸两点间的实际航线无关。无需对航线作出任何标志或保持直线航线，这大大简化流量的测量，特别是在航运繁忙或宽阔的河流更为明显。
1.3 非直接测量的流量
ADCP并不能测出从水面至河底的所有流速剖面，其原因是：①ADCP安装深度。ADCP声学换能器必须有足够的安装深度以保证该换能器总是完全没入水中。一般入水深度约为25cm，这个深度可以保证在适当的航速下换能器表面没有气泡（气泡会阻挡声能传入水中），同时也使船只的摇晃不致于影响换能器的正常工作。②盲区距离。由于脉冲的发射和声能的接收用的是同一个换能器，那么在发射脉冲之后到开始接收回波信号之前必须留有一小段时间（或者让出一小段声波传播的距离），这一延迟称为盲区。③旁瓣干扰。在换能器发射出来的声波主波束周围还有若干个小的锥形波束，称为旁瓣，最大的旁瓣的中心线与主波束轴线之夹角约为30°。
1.4 流量的计算
WINRIVER软件利用从第一个深度单元到不受河底或旁瓣影响的最后一个合格单元的数据计算流量。至于第一个深度单元以上的流量（根本没有进行测量）和受到河底影响的水层的流量，则通过已测得的合格数据利用外推法计算出来。
2 ADCP流量测量过程
2.1 现场测验前的准备工作
1）软件和固件的更新
由于ADCP技术的新颖性，其系统软件、固件已经并且将要不断地、经常地进行改进升级。在ADCP仪器运往现场之前，要在主用和备用的现场计算机上安装最新的的WinRiver软件。
2）现场测验前检查
为了确保ADCP工作正常，必须进行现场测验前的检查。检查包括：将ADCP与计算机连接，接通电源，进入WinRive软件的“Acquire”工作模式并“唤醒系统”。所有要用的电缆和插件必须查清，现场较难获得的备件如ADCP和计算机用的电池、电缆和数据文件备份的软盘都应作为检查的一部分备齐。
2.2 现场操作程序
1）仪器安装A
DCP通常安装在船舷一侧的支架上。安装支架应具有一定的灵活性，容易升降或翘离水面。支架要有足够的刚性，在水流冲击下不会发生振动或弯曲。安装支架位置应尽可能远离磁性物体，以避免外界磁场对ADCP内置磁罗盘的影响。ADCP换能器应没入水中至少8cm。如果水面有波浪，换能器要没入水中更深一些，以保证在整个测验过程中换能器不会露出水面或发生空蚀。
2）仪器检查
当ADCP安装在支架上，电缆连接到计算机并接通电源后，必须进行检查，以保证所有电路和传感器工作正常。通常使用ADCP软件之一的BB-TALK内的某些子程序对ADCP进行内部诊断和标定检验，并显示其内部设置，同时还将ADCP的电路和传感器进行检测。
3）设置文件
在每次测验前，用户需要根据现场条件和ADCP性能对ADCP进行参数设定。设置文件必须与测流断面的实际情况相匹配，诸如深度单元尺寸、工作模式、底跟踪和水跟踪的每组脉冲次数以及盲区等参数均要求有经验的使用者来设定，以使在现有的条件下所采集的数据质量最佳。
4）流量测验
在用ADCP采集流量数据之前，描述测流断面、日期、人员、设备和所用软件与固件版本的基本信息应记录在ADCP现场记录表上。记录每次测验的起点及终点离河岸距离及原始数据及设置文件名。
测验起点和终点的确定准则是起点和终点处的水深应保证垂线上至少有两个有效单元。起点和终点应做明显标记，以保证每次断面流量测验的起点或终点是相同的。应采用电子测距仪器、测绳或者其他能够精确测验距离的仪器测验起点和终点的离岸距离。
在正式测验前应进行一次“动底”（河底推移质）检测。做法是将测船保持在某一固定位置上至少10min，用底跟踪测验船速和位移。如果没有“动底”，由底跟踪测出的船速应为零，测船的位移近于零。如果有“动底”，由底跟踪测出的船速不为零，具有一向上游的伪船速。
3 ADCP流量测量常见问题及解决方法
关键词：海洋测绘 RTK 精度
中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0069-02
高精度海洋测深是21世纪海洋测量发展的主要方向之一。海洋测深包含定位和测深两个方面的重要内容，只有同时提高定位和测深的精度，才能提供高精度的海底地形信息数据。由于海洋测深通常在运动载体上完成，因此传统的定位手段无法满足实时定位的要求。随着GPS测量技术的发展，GPS-RTK技术能够在动态环境下获得cm级甚至mm级的水平定位精度和cm级的高程定位精度。在测深方面，单波束测深仪通过水下换能器发射和接收测深脉冲信号，可准确测量换能器至海底泥面的距离。
海洋测深中通常采用GPS-RTK进行定位、单波束测深仪进行测深。目前，国内外广泛开展了GPS-RTK无验潮测深方面的研究，虽然该方法可从理论上消除潮汐模型误差的影响，但都没有综合考虑声速校正、GPS和测深仪信号不同步、测深仪信号延迟、测量船测量瞬间姿态误差等因素给测深精度带来的影响。
在海况复杂时，这种简易的无验潮测深方法往往难以取得令人满意的效果。为此，该文通过分析无验潮测深方法及其各种影响因素的产生机理，结合当前常用的测深设备的性能指标，模拟计算这些因素在各种海况下引起的定位和测深的误差量级，然后通过对计算结果的分析给出相应的解决办法，为开展海洋测深工作的外业实施提供参考和借鉴。
1 GPSRTK测深技术原理研究
随着GPS全球定位技术的不断发展，GPS实时动态测量在实时导航定位方面的应用越来越广泛。目前GPS定位中应用较多的是DGPS技术，这是一种采用简单的码数据（波长300 m）相位平滑的技术，定位精度在nm级，水下地形高程则需要通过验潮确定。对于大比例尺的水下地形测量或作业区远离陆域不便于验潮的地方，DGPS技术已难以满足要求，而GPS实时动态相位差分（RTK）是一种直接应用L1和L2载波（波长分别为19 cm和24 cm）相位的GPS定位技术，它在三维坐标上可以提供cm级的精度，在水下地形测量中无需通过验潮确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。
假定参考站天线高为h1，参考站的正常高为h2，流动站的天线高为h3，参考站GPS天线处的正常高和大地高分别为h4、h5，流动站GPS天线相位中心的大地高和正常高分别为h6、h7，换能器的瞬间高程为h8，测点高程为h。由图1中可以看出：
h4=h1+h2
h7=h3+h8 （1）
根GPS差分原理，参考站与流动站间的距离小于30 km，可认为下式成立：
h5-h6=h4-h7
h7=h4-（h5-h6）
根据（1）式有：h3+h8=h1+h2-（h5-h6），则换能器的瞬间高程h8=h1+h2-h3-（h5-h6）。换能器的瞬间高程确定后，所测的水底点的高程就很容易求出：h=h8-测深仪所测的深度。
这样就实现了在水深测量中，无需通过验潮来确定泥面高程，这种方法称为GPS无验潮测深。众所周知，动吃水发生在垂直方向，在实时动态定位时，该方向上的位移量可通过架设在船体中心上方的GPS天线相位中心的瞬间高程信息获得，该高程减去GPS天线到换能器的垂距，便是换能器发射面的瞬间高程，而换能器测量的深度正是建立在该高程的基础上，因此，船体的动态吃水不用专门去测定，换能器的瞬间高程已经包含了该信息。这是无验潮测深模式所特有的，也是相对传统方法测量精度较高的原因所在。
2 测深误差影响因素分析
2.1 测量误差对测深精度的影响
海水是一种高度流动的介质，其温度、盐度特征不仅受径流淡水和洋流高盐水入侵的影响，同时还受到气温、季节、海流等因素的共同影响。一般而言，海水中声速大致在1 430～1 550 m/s（水温每增加1°，声速增加4.6 m/s）。
海水介质显著变化的温、盐特征必然导致声速结构的时空变化。由于介质声速不仅受水团运动而经常发生复杂变化，而且不同的声速结构又将直接影响波束射线的传播路径，因此声速改正在各项误差改正中最重要也最复杂。只有精确确定海水中声速在垂直方向上的变化数值，才能为测深仪、声纳等水下声学设备探测水下目标提供准确的声速校正数据。
声速剖面的差异会通过声速弯曲直接影响海底探测精度，导致海底形变的畸变。因此，为了降低海水水温变化对声速的影响，应尽量缩短测深作业的时间，且声速剖面测量应选择在作业中间时刻进行。此外，为了降低水团运动及海水盐度和密度对声速的影响，声速剖面测量也应选择在测区中部位置进行。
声速剖面测量完成后，应用测量结果实时校正测深仪声速参数，或记录剖面数据用于测深数据的后处理改正。近岸的航道测量中，对于0～20 m水深区，在不进行声速剖面测量的情况下，通常使用检查板进行测深仪改正数的校对，并且尽量选择在海况好，风、流速小的区域进行。进行声速改正的方法是在不同水深值声速改正数时，从换能器吃水深度起（换能器吃水1.2 m），不同声速水层一直到水深值深度的各水层声速改正数的总和。
2.2 定位和测深不同步引起平面位置误差
近年来随着GPS硬件技术和数据处理方法的快速发展，GPS硬件的采样率越来越高，并且高频GPS技术也被广泛用于地震形变监测等方法，显示出其独特的优势。目前GPS-RTK定位的采样率也可达到10 Hz甚至更高。另外，单波束测深仪的采样率也可达到25 Hz。由于定位和测深是两套分别独立的系统，那么定位和测深的时刻就难以准确对齐，并且这种时间偏差会逐渐积累形成系统误差，因此必须定期对定位和测深的时刻进行配准。
若定位和测深采用相同的采样率f，定位和测深时刻之间存在的时间偏差为，则：
0≤δt 1≤1/f
若定位采样率为f1，测深采样率为f2，定位和测深时刻之间的时间偏差为：
由此分析，若船速为5 km，且定位和测深的采样率均为10 Hz，则一个历元可能引起最大5 cm的平面定位误差，若均采用25 Hz的采样率时，一个历元将会最大引起2 cm的定位误差。当定位采用25 Hz采样率，测深采用10 Hz采样率时，一个历元将会引起最大2 cm的定位误差。由于采样时刻无法准确对齐，则随着历元数的增加，定位误差也将呈线性增加。由此可见，采样率相同时，同时提高定位和测深的采样率有助于降低单个历元平面定位误差。在采样率不同的情况下，应尽量使两者的采样率接近。由于时间偏差会随历元数增加而逐渐积累，因此不管定位和测深采用何种采样率，都需要定期及时进行定位和测深信号的对齐。这种误差可通过对硬件进行同步配置或者作业时记录参数、作业后进行数据后处理的方式进行减小和消除。
2.3 测量船横/纵摇引起平面位置和测深误差
由于测深仪安装在测量船上，测量船受风浪影响将产生晃动。这种晃动可以分解为横摇和纵摇两种运动。横摇和纵摇的中心与测量船的重心以及测深仪的安装位置有关，测量船的晃动会给测深和定位带来巨大影响，现在从平面和垂直两个方向来分析这种误差的影响。
在进行测深时，需要尽量选择好的海况条件，将横摇角控制在10°以内。如果海况恶劣，则必须要在测深的同时增加罗经、姿态仪、涌浪补偿仪等，只有利用姿态数据对测深数据进行实时或后处理，测深的精度才能满足要求。
3 结语
海洋测深的主要工作载体是船舶，由于海水受风浪、海流以及潮汐等作用的影响，海面及船舶的运动必然是动态且无序，因此海洋测深的精度必然受到较大的影响。另一方面，为了降低成本，海洋测深时定位和测深必须同时进行，同时测深数据的精度直接依赖于定位数据质量，即使y深精度再高，测深的位置偏差将直接导致测深数据质量的下降，因此必须同时考虑定位和测深精度，才能保证海洋测深数据成果的有效。当前在各种航道和近岸水下工程中，单波束测深数据作为基础的测量数据，其准确性和精度的要求越来越高。随着GPS-RTK测量技术的发展，近年来出现了无验潮GPS-RTK测深方法，由于该方法原理简单，外业测量易于实施，因此受到了航道、海洋等工程单位的重视并逐步得到应用，取得了良好的经济和社会效益。该文结合航道测量规范，分别从定量和定性的角度分析了各种影响单波束测深仪定位和测深数据精度的因素，并给出了减小和降低这些误差的操作措施和建议，希望能为测深外业工作的开展提供有益的参考和借鉴。
参考文献
[1] 刘雁春，暴景阳，李明叁。我国海洋测绘技术的新进展[J].测绘通报，2007（3）：1-7.
[关键词]汽车发电机；噪声测试；方案设计；声学实验
中图分类号：U463.631 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0107-01
引言
当前汽车发电机噪声测试是汽车检测的薄弱环节，但汽车发电机的噪声控制影响汽车整体的乘坐体验，是汽车发电机整体性能的重要参照指标，我国汽车制造与检测的尖端技术掌握不够全面，对汽车发电机噪声的产生与控制领域研究较浅，因此在国内缺乏有效的汽车测试验证测试实验平台，目前汽车交流发电机噪声测试的主要方法是实车实验和台架测试，实车实验中汽车发电机噪声收集和数据的整合存在大量的影响因素，一般只用于汽车舒适性性能的测试，因此在本次汽车发电机噪声的测试方案设计中采用台架测试的方式搭建实验台，对汽车发电机在汽车发动机不同工作状态下的噪声进行测试以及噪音的控制，并对发电机的噪声变化曲线进行分析，得出汽车发电机噪声的产生的规律以及影响因素，并为汽车发电机的噪声的控制提供理论支持。
1. 汽车发电机噪声来源分析
发电机通过发电机转矩的输入旋转产生电能，发电机的转速与震动的频率有直接的关系，因此根据噪声产生不同的方式分为机械噪声、电磁噪声、空气动力噪声。机械噪声是汽车发电机在机械传动中产生的噪声，机械振动的频率与噪声的性质有较大关系，是一种高频噪声，是产生车内噪音的重要来源，对乘车环境造成极大的影响。电磁噪音是汽车励磁发电机在转动过程中磁场脉冲变化产生的，发电机的定子与转子在脉冲切割作用下产生电流，并能引起转子与定子的脉冲波动，产生低频噪音。电磁噪音与发动机震动形成的性质迥异，发动机低沉的噪声，难以掩盖高频音波，因此在发动处于怠速状态时，电磁噪音尤为显著，容易引起乘车人员的察觉，并产生不适的反应，是现代汽车发电机亟待解决的问题。汽车发电机空气噪很小，汽车发电机制作工艺相对较高，采用密封设计，因此空气噪声较少。我国汽车发电机按照QC /T 729―2005行业标准进行噪声的检测控制，但是在标准中对噪音测试方案的规范性与科学性没有限定，仅仅考虑汽车发电机在正常工作状态下噪声控制的范围小于 23dB（A）。
2. 汽车发电机噪声测试方案设计
2.1 汽车发电机噪声测试实验室吸声结构设计
噪音测试实验室吸音结构的设计与方案的选择是测试环节的重要环节，对测试结果有直接的影响。实验室吸音结构采用当前技术较为前卫的尖劈吸声结构，尖劈装隔音材料通过对声波的直接过滤和多次的反射过滤实现声波的高效吸收，当声波从尖劈尖端传入时，声波会向四周扩散，借助吸声层对声波的过滤作用，隔音材料的声阻抗与空气的声阻抗能够很好的匹配，因此能够实现声波的高效吸收，在国内汽车发电机的噪声检测实验室的建设的不够完善，由于劈尖状结构的自身特点，以及材料的性质，造价较为昂贵，因此也限制了汽车发电机噪声检测技术的发展。
2.2 消声室设计
目前我国消声室的建设标准根据等级可以采用ISO3744、ISO3745、ISO3746等国标。汽车发电机噪声的检测要求精度较高，为了达到汽车发电机测试精度兼顾消声室的经济性，本此探析汽车发电机噪声测试方案设计中采用ISO3745的国际标准，针对汽车发电机在汽车不同工作状态下的噪音性质进行评定。国际声学标准对比见表1。
2.3 发动机驱动试验台设计
在消音室进行汽车发电机的消音实验中，需要汽车发动机的动态模拟。因此需要模拟汽车发动机装置。汽车发电机噪声测试方案设计采用电动机替动机的设计，通过改变电动机的速度调节参数，模拟汽车发动机不同的运动状态，通过T型的同步带进行传动，将该装置装于隔音箱中，并置于消音室较高的位置，降低电动机噪声对汽车发电机噪声测试精度的影响。电动机的代替汽车发动机的安装结构如图1所示
2.4 发电机转速测量设计
发电机转动是产生噪声的本质原因，因此要精确的测量发电机的输出转速，为了达到转速的准确控制和记录，采用常规光电脉冲信号测量结合三相交流电采集的模式，确保转速的准确测量，首先在发电机的输出转轴上设置光电脉冲的反射点，然后利用光电脉冲记录装置实现对转速的精确记录，其次利用三相电的特征采集经过换算，得出发电机的转速，由于光电脉冲采样对距离和设备的要求较高，因此在实际操作中存在许多不便，因此以采集三相交流电相频特征换算为发电机的转速为主要的汽车发电机测量手段。
3 汽车发电机噪声测试验收分析方法
汽车发电机噪声的收集与验收分析方法有两方面，一方面是对消声室背景噪音的收集与分析，环境背景噪声应该
满足小于25dB，截止频率应保持在100±5hz，另一方面需要借助专业的噪音分析设备进行音波曲线的分析，去除考核中驱动台的动态本底噪音。汽车发电机的噪声检测环境噪音值标准，见表2。
根据测试结果，记录台面的震动频率符合设定标准，通过对噪音的阶次分析，汽车发电机没有明显的共振频率，不出现幅值重合段。因此符合以上测试条件则可以判断汽车发电机的噪声控制符合使用标准。
结语
本课题通过对噪声声学环境要求的分析，确定试验设计方案中吸声结构的设计，确保噪声收集和吸引效果的准确性，搭建汽车交流发电机实验平台，建立尖劈吸声消声室，对汽车发电机噪声进行测试验证。为汽车发电机噪声的优化和改进提供必要的参考，对车辆NVH性能的提升有重要的促进作用，对汽车发电机噪声的控制研究有重大意义。
参考文献
[1] 辛阳，董大伟，闫兵，张胜杰。汽车用发电机NVH性能测试声学实验室设计及鉴定[J].噪声与振动控制。2012（03）.
[2] 胡秉奇，王以真。消声室的设计与建造――锐丰公司消声室的设计[J]. 电声技术。2011（09）.
Abstract: Measure the speed of sound with four different sound velocimeter in the same experiment environmental conditions. Each instrument are used for resonance interferometry and phase measurement of acoustic wave propagation velocity in the air and make a comparative study. In the measurement of the resonance interferometry, select the digital oscilloscope to observe changes in the voltage values to determine the maximum position; in the experimental phase method, choose minimum voltage sensitivity of the oscilloscope to observe the changes of lissajous figures. The results show that the phase method is more accurate and superior than the resonance interferometry.
关键词： 声波；驻波法；相位法；数字示波器
Key words: sound waves；standing wave method；the phase method；digital oscilloscope
中图分类号：O657.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2012）24-0064-02
0 引言
声波是一种在弹性媒质中传播的机械波，频率低于20Hz的声波称为次声波；频率在20Hz～20KHz的声波可以被人听到，称为可闻声波；频率在20KHz以上的声波称为超声波。
声波在媒质中的传播速度与媒质的特性及状态因素有关。因而通过媒质中声速的测定，可以了解媒质的特性或状态变化[1-4]。声速测定在工业生产上具有一定的实用意义。
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。超声波的发射接收一般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。本实验就是测量频率为36.90kHz的超声波在空气中的传播速度。
1 实验原理
测量声速的方法有两种：时差法和波动法[5-8]。
时差法在工程中得到了泛的应用。它是将经脉冲调制的电信号加到发射换能器上，声波在介质中传播，经过t时时间后，到达L距离处的接收换能器，所以可以用以下公式求出声波在介质中传播的速度。声波传播的距离与传播的时间存在下列关系：v=L/t。
在波动过程中波速V、波长？姿和频率f之间存在着下列关系：V=f?姿，实验中可通过测定声波的波长？姿和频率f来求得声速V，通常情况下声波的频率是已知的，这样只要测出声波在介质中传播的波长即可。常用的方法有共振干涉法与相位法。本次实验研究采用的就是利用共振干涉法和相位法展开的。
1.1 共振干涉法 装置如图1所示，压电陶瓷换能器S1作为声波发射器，它由信号源供给频率36.90千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而换能器S2则作为声波的接收器，正压电效应将接收到的声压转换成电信号，压电陶瓷换能器压电效应中压力和电信号之间是正比关系，所以示波器上显示的电信号越强说明作用在压电陶瓷换能器端面上的力越大，从而说明处在S2接受器端面位置的声压也越大。由于声波要在S1和S2两器件端面之间反射多次，因此在两各端面之间形成的声波场对应的质点位移变化和声压变化不再是简单的驻波，而是行驻波，但在端面距离较小时，接收端面近似处于声压波腹位置，且相邻的两个声压极大值之间距离？驻L=?姿/2[9-11]，这样只要测量出一系列相邻的声压级极大位置就可以测出波长。
1.2 相位法 实验原理如图2所示，当发射端S1发出的平面超声波通过媒质到达接收端S2，在发射波与接收波之间产生相位差：
入射波的平面波方程：x=A1cos（?棕t+?渍1）
反射波的平面波方程：y=A2cos（?棕t+?渍2）
合振动方程为
■+■-■cos（?渍1-?渍2）=sin2（?渍2-?渍1）
此方程轨迹为椭圆，椭圆长短轴和方位由？驻？渍=（?渍2-?渍1）决定。
当？渍2-?渍1=0时，y=■x，轨迹为通过一和三象限的直线。
当？渍2-?渍1=?仔/2时，y=■+■=1，轨迹为以坐标轴为主轴的椭圆。
关键词：超声波；Arduino；物理；数字实验室
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）10-0059-4
当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。人类耳朵能听到的声波频率为20 Hz～20000 Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特性，在测距、测速等方面具有广泛应用。本文结合高中物理数字化实验开发实例，阐述如何利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集，实现精确、直观、高效率的实验测量和数据处理。
1 超声波测距原理及方案对比
超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别放置在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v*Δt求得距离。另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v*（Δt/2）求得距离。方案一的测量精度较高，但实验较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置。因此，我们采用了方案二“反射式”测距方式。
常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品，差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块。但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之。
如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50 Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50 Hz，也就是说测量周期不能大于20 ms。而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：
（1）HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高。为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10 μs的高电平，然后模块发射8个40 kHz超声波脉冲约耗时0.2 ms，超声波传播至目标需时t=1 m/（340 m/s）=2.94 ms，反射至接收器件又需2.94 ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88 ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果。整个过程约需12 ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5 ms），整个测量周期很难控制在20 ms之内。换个说法，50 Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性。尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50 ms以上，不能达到实验的要求。
（2）US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真。
（3）US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时
US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20 ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12 ms，则最大测量距离可达340*12/2=2040 mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求。
此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性。从表2可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到3.6%，已经不能忽视。
所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器。
2 利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集
Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集。结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能。
（1）系统硬件构成：我们采用Arduino Uno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5 V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易。为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可。图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图。
（2）系统软件设计和优化：由于超声波测距模块已经把发射、接收、计时整体设计在内，所以本系统的单片机程序很简洁，这也是采用成品测距模块的原因，主程序只负责触发模块、接收数据、向计算机转发数据三个环节。但想要得到比较稳定精确的实验效果还有许多问题需要解决，我们发现网络和杂志常见的一些测距方案或实验都缺乏必要的严谨性，本次设计重点思考并优化解决了如下几个问题：
问题一，如何提高测量量程？
如前所述，我们采用US-100模块进行超声波测距，摒弃了常用的HC-SR04模块，能够减少读取测量结果的时间，从而把量程扩大到2米左右，使之符合常见中学物理实验的要求。
问题二，如何提高测量频率？
为了进一步降低测量周期、提高测量稳定性，我们把Arduino向PC通讯常用的Serial.print命令改为Serial.write命令，每次发送四字节的二进制数据，前两字节为数据标志位，一方面可以作为起始位避免数据错位，另一方面第二字节还可以作为扩展位以提供功能扩展。后两字节是二进制的测量结果数据，并设定传输波特率为115200，使数据传输时间减少到0.27 ms，向计算机实际通讯时间小于一毫秒，从而进一步减小测量和通讯所需时间，保证测量频率为50 Hz时具有足够冗余的时间，保障了实验的稳定性。
问题三，如何最后是时间比较环节，通过反复测试的校正参数保证了整个周期为20 ms，实测误差不精确控制测量周期？
测量周期的计时原则上可以由上位机或下位机决定，但实际上Windows作为多任务操作系统根本难以保证毫秒级的时间稳定性，而单片机从架构上来说就具有较好的时间稳定性，因此我们设定由单片机程序进行测量周期的计时和比较。单片机程序的各个步骤都有一些微秒级的操作时间，这个时间是固定的，但唯有单片机与计算机通讯的命令受计算机影响时间稳定性较差，有些类似程序没有考虑周全导致程序整体的时间精确性达不到要求。我们的解决方案是把初始计时放在程序之首，然后就是数据发送环节，之后是数据采集环节，大于0.05%。
（3）核心代码：
3 PC数据采集与图形化显示程序
上述Arduino系统已经完成了超声波测距、数据采集并向计算机发送的工作，最后还需要通过一定的Windows程序接收数据、保存数据，并能以图形化显示。为此，我们用Vb6.0编写了数据接收和显示程序，并命名为“GeekFlash数据采集器”，如图6是程序的运行界面和某次动态测距的曲线图。限于篇幅，PC端程序不做详细说明。
4 超声波测距与采集在高中物理实验中的实践案例
采用本系统测量重力加速度实验的一组数据如表3所示，限于超声波测距模块的精度（实测在+-1 mm左右），去除首尾无效数据，所测得的重力加速度在9.7～9.8左右，学生不仅可以通过图像直观了解物体下落过程位移随时间变化的特点，也可以根据现场采集的数据计算当地重力加速度值，在实验误差范围内，其精确度、直观性以及实验效率均大大优于打点计时器的效果。（图7）
参考文献：
[1]程晨。Arduino开发实战指南：AVR篇[M].北京：机械工业出版社，2012.2
根据天津市委八届三次全会提出的“三步走”战略目标和五大战略举措，以建设世界名河为目的，海河综合开发改造工程正在紧张有序地建设实施。海河堤岸改造是本工程的重要组成部分之一，又是先期实施的基础工程，该工程从北运河的北洋桥至海河外环线桥，河道全长约20km，左右两岸累计堤岸长约40km，起步区段为慈海桥至北安桥段和琼州道至海河大桥段。
按照海河综合开发规划，其堤岸工程断面大多采用退台式护岸，需对现状护岸进行改造。刘庄桥下游段堤岸断面在高程2.0m（大沽高程，下同）处设亲水平台，亲水平台与现状地面之间设直墙式护岸，亲水平台与河岸边多采用重力式挡土墙或板桩式护岸。
该工程段(右岸)在埋深0～18m范围内所涉及到的地层为第四系全新统松散堆积物，自上而下依次为：
⑴人工填土层（rQ）：全区分布，该层由杂填土和素填土组成，层底高程-0.51～2.00m。
⑵古河道、河漫滩冲积相新近沉积层（alQ43N）：全区分布，该层岩性变化不大，主要由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土及淤泥质粉土透镜体，层底高程-7.18～-6.54m。
⑶第四系全新统中部海相层（mQ42）：全区分布，岩性由粉质粘土及粉土组成，局部夹有淤泥质粉质粘土透镜体，层底高程-12.45～-10.53m。
⑷第四系全新统下部陆相沉积层（alQ41）：岩性由粉质粘土及粉土组成，该层未揭穿，可见厚度大于7.00m。
依据委托单位提供的设计及施工资料，本段地连墙总长度为308.33m，共分18个槽段，四种建筑类型，本次检测其中一种类型（即I型），该类型地连墙厚0.6m、宽6.0m、深13.5m。按照国家和天津市的有关规定，并考虑本工程的具体情况和设计要求，确定检测6个槽段，检测比例为33.3%。检测位置见图1（图中A、B、C为各检测段号三个预埋声测管）。
2检测原理与方法
以介质的弹性特征为基础，进行弹性波测试，以求得筑墙介质的物理力学指标。当弹性波在介质内传播时，与介质本身的物理力学性质有着密切的关系，通过测取弹性波的波列记录，可以取得一系列运动学和动力学参数，分析整理这些参数，来判定介质质量的优劣，并提供定量依据。
理论分析和实践经验表明，地连墙混凝土质量较好时，其声波速度值较高或波幅值较大(信号强)，且波速离散性较小；而混凝土质量存在缺陷(离析、密实度差、强度低)时，其声波速度值较低或波幅值减小(信号弱)，且波速离散性较大。
检测采用声波穿透法，测试原理见图2。其中由发射换能器激发的声波经水的耦合传播到声测管，再在墙体混凝土介质中传播，经接收端的声测管由水耦合到接收换能器。
根据本次检测任务要求和现场各槽段声测管的分布特点，施测时在每一槽段的三个预埋管中放入三个谐振频率为50kHz的声波换能器，中间管(图1中B号管)放置发射换能器，两侧管(图1中A号管和C号管)放置接收换能器。首先将三个换能器置入管底并使其位于同一高程，由下而上实施观测，测点距为0.25m，三探头同步提升并进行测试，直至管口。
测试仪器为国产WSD—2型数字声波分析仪及其附属设备。
3数据整理与分析
将实测数据进行归纳整理，按照式(1)计算声波速度Vp(m/s)。
Vp=L/T………………………………………………(1)
式中：L——发射管与接收管外壁之间的水平距离(m)；T——声波在距离L内的走时(s)。
根据求得的声波波速值绘制速度(Vp)——深度(H)曲线，并按照下列方法和步骤确定声速临界值，以此判定声速异常区。
（1）将同一检测剖面各测点的声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个声速(Vp)测量值；n——测点数；k——逐一去掉式(2)Vpi序列尾部最小数值的数据个数。
（2）对逐一去掉Vpi序列中最小数值后余下的数据进行统计计算。当去掉最小数值的数据个数为k时，对包括Vpn-k在内的余下数据Vp1～Vpn-k按下列公式进行统计计算：
Vp0=Vpm－λSx…………………………………………(3)
…………………………………(4)
………………………(5)
上述式中：Vp0——异常判断值；Vpm——n－k个数据的平均值；Sx——n－k个数据的标准差；λ——由表1查得的与n－k相对应的系数。
（3）将Vpn-k与异常判断值Vp0进行比较，当Vpn-k≤Vp0时，Vpn-k及其以后的数据均为异常，应去掉；再用数据Vp1～Vpn-k-1并重复式(3)～(5)计算步骤，直到Vpi序列中余下的全部数据满足：Vpi＞Vp0，此时，Vp0为声速的异常临界值VpD。
（4）声速异常时的临界值判据为：Vpi≤VpD，当其成立时，声速可判定为异常。
（5）当检测剖面n个测点的声速值普遍偏低且离散性较小时，宜采用声速低限值判断：Vpi＜VpL，其中Vpi——第i个测点声速(m/s)；VPl——声速低限值(m/s)，由预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果并结合实际经验确定。
当上式成立时，可直接判定为声速低限值异常。
表1统计数据个数n－k与对应的λ值
n-k
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
λ
1.64
1.69
1.73
1.77
1.80
1.83
1.86
1.89
1.91
1.94
1.96
1.98
2.00
2.02
2.04
n-k
50
52
54
56
58
60
62
64
66
68
70
72
74
76
78
λ
2.05
2.07
2.09
2.10
2.11
2.13
2.14
2.15
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
n-k
80
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
105
110
115
120
λ
2.24
2.25
2.26
2.27
2.28
2.29
2.29
2.30
2.31
2.32
2.33
2.34
2.36
2.38
2.39
n-k
125
130
135
140
145
150
160
170
180
190
200
220
240
260
280
λ
2.41
2.42
2.43
2.45
2.46
2.47
2.50
2.52
2.54
2.56
2.58
2.61
2.64
2.67
2.69
（6）当采用斜率法的PSD值作为辅助异常点判据时，PSD值应按下列公式计算：PSD=K·T…………………………………………(6)
………………………………………(7)
T=Tpi－Tpi-1………………………………………(8)
式中：Tpi——第i个测点的声时(μS)；Tpi-1——第i－1个测点的声时(μS)；Zi——第i个测点的深度(m)；Zi-1——第i－1个测点的深度(m)。
根据PSD值在某深度处的突变，结合波幅变化情况，进行异常点判断。
（7）当采用信号主频值作为辅助异常点判据时，主频——深度曲线上主频值明显降低，可判定为异常。
综合上述分析，地连墙混凝土质量异常区应结合各声学参数临界值、PSD判据、混凝土声速低限值以及混凝土质量可疑点加密测试后的结果等综合判定，并确定混凝土缺陷的范围和大小。
4成果分析与质量评价
综合分析声速(波幅)——深度曲线图(典型曲线见图3)并结合施工资料，对地连墙混凝土内部结构进行质量评价。
（1）地连墙缺陷：以声速临界值（或声速低限值）、声速平均值以及波幅临界值判据进行综合分析判定。
（2）地连墙混凝土均匀性按声速离散系数Cv（Cv=Sx/Vpm×100%）可分为A、B、C、D四级(见表2)。
（3）根据地连墙混凝土声学特征及其均匀性，是否存在缺陷以及缺陷的严重程度，将地连墙的内部结构质量分为四类：
表2声速离散系数级别表
混凝土均匀性等级
A级(均匀)
B级(一般)
C级(较差)
D级(极差)
Cv(%)
Cv<5
5≤Cv<10
10≤Cv<15
Cv≥15
Ⅰ类(优良)：各检测剖面的声学参数均无异常，无声速低于低限值异常。
Ⅱ类(较好)：某一检测剖面个别测点声学参数出现异常，个别测点声速低于低限值异常。
Ⅲ类(一般)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；局部混凝土声速出现低于低限值异常。
Ⅳ类(较差)：某一检测剖面连续多个测点的声学参数出现异常；两个或两个以上检测剖面在同一深度测点的声学参数出现异常；混凝土声速出现普遍低于低限值异常或无法检测首波或声波接收信号严重畸变。
由本测段地连墙预留同条件混凝土试件的抗压强度与声速对比试验结果，并结合本市实际测试经验确定该地连墙混凝土质量评价的声速低限值为4.00km/s。现就检测槽段的声波成果分析如下：
①段13-I/38：该检测段号测试深度仅为9.00m(9m以下因堵孔无法测试)，AB、BC剖面在深0～1.00m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为3.97km/s、4.3km/s，标准差分别为0.34km/s、0.38km/s，混凝土离散系数分别为8.56、8.69，表明混凝土在0～1.00m间质量较差，其余测段混凝土质量优良。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅲ类，混凝土均匀性为B级。
②段11-I/30：该检测段号测试深度为13.5m，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，影响声速平均值、临界值的计算取值，其余测段各测点声速正常；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.74km/s、4.24km/s，标准差分别为0.16km/s、0.22km/s，混凝土离散系数分别为3.37、5.19。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A～B级。
③段11-I/31：该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.65km/s、4.36km/s，标准差分别为0.18km/s、0.12km/s，混凝土离散系数分别为3.87、2.75。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。
④段14-I/39：该检测段号测试深度为11.0m，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.60km/s、4.43km/s，标准差分别为0.12km/s、0.16km/s，混凝土离散系数分别为2.61、3.61。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为A级。
⑤段15-I/41：该检测段号测试深度为13.5m，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，混凝土质量较差，其余测段各测点声速正常，混凝土质量优良；AB、BC剖面声波速度平均值分别为4.93km/s、4.94km/s，标准差分别为0.40km/s、0.30km/s，混凝土离散系数分别为8.11、6.07。结合波幅等声学参数，综合判定该段混凝土质量为Ⅱ类，混凝土均匀性为B级。
⑥段10-I/29、段12-I/35、段13-I/36、段13-I/37：各段内混凝土声速值较高，离散性小，表明检测段内混凝土质量优良，结合波幅等声学参数，综合判定上述四段混凝土质量为I类，混凝土均匀性为A级。
各槽段检测结果及综合分析见表3。
表3地连墙混凝土质量检测综合成果表
段号
检测深度
龄期
平均声速
声速异常临界值
声速
标准差
离散系数
混凝土设计强度
质量综合分析与评判
备注
AB/BC
(m)
(d)
(km/s)
(km/s)
(km/s)
(km/s)
(%)
段10-I/29
13.0
>28
4.57
4.52
4.37
0.11
2.41
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
由本测
段地连
墙混凝
土预留
同条件
混凝土
试件的
抗压强
度与声
速对比
试验结
果并结
合本市
实际测
试经验
确定该
地连墙
混凝土
质量评
价的声
速低限
值为4.00
km/s。
4.48
4.11
0.20
4.46
段11-I/30
13.5
>28
4.74
4.49
4.42
0.16
3.37
C30
整体质量较好，其中BC剖面在深8.0～8.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A～B级
4.24
3.85
0.22
5.19
段11-I/31
13.5
>28
4.65
4.50
4.30
0.18
3.87
C30
整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.25m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级
4.36
4.13
0.12
2.75
段12-I/35
9.00
>28
4.42
4.42
4.15
0.14
3.17
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级。因C孔堵塞严重，BC剖面没有进行检测
/
/
/
/
段13-I/36
13.5
>28
4.44
4.58
4.20
0.12
2.70
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
4.72
4.38
0.18
3.81
段13-I/37
13.0
>28
4.71
4.58
4.36
0.18
3.82
C30
整体质量优良，综合评价Ⅰ类，均匀性A级
4.46
4.20
0.13
2.91
段13-I/38
9.00
>28
3.97
4.17
3.22
0.34
8.56
C30
质量一般，其中AB和BC剖面均在深0～1.0m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅲ类，均匀性B级
4.37
3.51
0.38
8.69
段14-I/39
11.0
>28
4.60
4.51
4.36
0.12
2.61
C30
整体质量较好，其中BC剖面在深0～0.5m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性A级
4.43
4.10
0.16
3.61
段15-I/41
13.5
>28
4.93
4.93
4.29
0.40
8.11
C30
整体质量较好，其中AB剖面在深0～0.75m处声速小于低限值4.00km/s，综合评价Ⅱ类，均匀性B级
4.94
4.17
0.30
6.07
通过对6个槽段计9个测区的检测成果综合分析和评价可得出如下检测结果。
（1）被检测槽段中，混凝土内部结构整体优良（Ⅰ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量较好（Ⅱ类）4个，占所检测槽段的44.4%；整体质量一般（Ⅲ类）1个，占所检测槽段的11.2%。
（2）被检测槽段混凝土内部结构整体优良或较好，局部槽段质量一般，在检测的剖面中多存在声测管管口附近混凝土质量较差。
5结语
以上详细介绍了声波穿透法在地连墙质量检测中的应用及其数据处理和分析方法，由此可以看出，该法具有经济、无损、快速、便于分析等优点，因而在地连墙质量检测中得到较为广泛的应用。
目前，应用地球物理探测技术对地下隐蔽工程的无损检测已经取得了很大的进展，已由试验研究阶段转向实用阶段，并在工程实践中不断得到完善和提高。但由于地下隐蔽工程的施工工艺和填筑材料的不同，其存在的质量问题也不尽相同，因此对地下隐蔽工程质量的无损检测难度也会更大，这就要求我们研究或寻找多种检测技术或方法，综合开发，综合应用，综合分析，有效地提高地下隐蔽工程质量检测的精度，并查明工程内部的质量隐患类型和位置，更好地为工程建设服务，这将是我们今后努力的方向。
参考文献
[1]刘康和。超声回弹综合法的工程应用[J].长江职工大学学报，2003,(1).
[2]杨萍，刘康和。混凝土非破损检测技术应用与探讨[J].电力勘测设计，2003,(2).
【关键词】手机；应用软件；声速测量；奶茶管
【Abstract】This paper introduces a method to measure the sound speed by using the standing wave in the common milk tea tube that Opened at both ends. Just two smart phones and a tube are used in the experiment. For these instruments are readily available， we needn’t to go to the school laboratory. This inspires the students’ learning interest and enhances their practical ability.
【Key words】Phone ；App； Sound velocity measurement； Milk tea tube
在大学物理实验中测量声速的方法有多种，它们的共同点是均需要专门的实验仪器来进行实验。如果能通过一些随手可得的工具来测量声速，无疑对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。而智能手机的普及和手机应用软件开发的进步使这样的想法变为现实[1]，本文给出了一种利用普通的两端开口奶茶管的声驻波现象来测量声速的方法，只需两部智能手机和一根两端开口奶茶管即可进行实验。
1 实验原理
在力学教材教材中[2]指出声波在一端封闭管中产生驻波的条件为：
其中l为管的长度，？姿是声波的波长。
当管子两端均开口时（即开管），管中形成驻波的条件为：
其中l'为开管的长度，？姿为对应的声波波长，n=1，2，3……如图1所示，
图1 两端开口管内空气柱的基频和谐频的本征振动
这是因为：当管的两端敞开时，因空气柱与外界大气相连，其压强恒等于大气压，不会发生压缩和膨胀形变，根据驻波知识可知，只有波腹处的体积元，才不会发生形变，因此空气柱的开端必然形成位移波腹。
若知道？驻f，则可求出v的大小。
2 实验材料与步骤
实验材料：智能手机两部，耳机一个，音频发生器软件，噪声检测仪软件，奶茶管。
实验方法：
（1）将音频发生器软件安装到一部智能手机上，将噪声检测仪安装到另一部手机上；
（2）将奶茶管平放在桌上，打开音频发生器软件，并用耳机将手机发出的声音送到管子一端处；
（3）打开另一手机中的噪声检测仪软件将该手机放置于开管的另一个端口处；
（4）连续改变音频发生器的频率时，噪声检测仪所捕捉的分贝值随之改变，出现多个峰值，并且发现频率越高峰值越大。这说明在传输这些声振动时，管内一定出现驻波，出现每一个峰值时记录下与之对应的频率；
（5）分析数据计算出声速值。
3 实验数据与误差分析
其中v0为0℃时空气中的声速，其值为v0=331.45m/s，本实验进行时，温度计显示实验室温度为17.5℃，计算出的声速理论值为v=341.903m/s。
实验中，我们采用不同商家的奶茶管来测量声速。当采用长17cm、直径为8mm的奶茶管时，测出的速度为v=334.6m/s，相对误差=2.11%；当采用长17cm、直径为12mm的奶茶管时，测出的速度为v=329.6m/s，相对误差=3.598%。
从以上的数据我们可以初步看出：对于长17cm、直径为8mm和12mm的两种奶茶管而言，从数据直接得到的声速相对误差比较大。如果从这两种规格的管子中选一个的话，理应选取长17cm、直径为8mm的奶茶管，但从实验数据的准确性的角度来看，这个数据又是不太可取的。为此，我们又换了另外一种规格的奶茶管来做相同的实验，这种管子的长度为22cm、直径为8mm。其所得实验数据如表1所示：
表1 长22cm、直径为8mm的奶茶管所得实验数据（室温17.5℃）
分析表1的所得声速数据，我们发现这种规格管子的测量结果相对误差为0.791%，这样的结果要明显好于前两次的结果。对于采用这么普通的智能手机应用软件和市面上常见的奶茶管而言，能得到这样的实验数据是相当不错的。比较三次实验的数据，我们发现管长与管径比值最大的实验结果在三组中是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。
4 结论
综上所述，对于常见的奶茶管，选取一定的长度、一定的直径，是可以较为准确地测量出空气中的声速的，这表明我们的实验方案是可行的。实验中所用奶茶管管长与管径比值最大的实验结果是最准确的，但这种定量关系还有待进一步研究。所以我们的实验方法也只是估测空气中的声速。即便如此，本实验方法与传统的大学物理实验中测量声速方法相比，大大降低了门槛，实验操作相对较容易，所用的实验器材也是随手可得，学生只要两台安装了免费软件的普通智能手机和一根奶茶管即可进行声速的测量。这对激发学生学习兴趣，增强学生动手能力都有很大益处。
【参考文献】
关键字： 高速公路；病害；超声回弹法
0 引言
超声回弹综合法是对混凝土强度进行无损检测的比较常用方法之一， 由于采用了两种非破损检测手段， 在一定程度上可以相互祢补单一检测方法的缺陷和不足， 因此具有较小的误差和较高的检测精度。随着我国的大批既有桥梁相继进入老化时期，桥梁检测与桥梁建设同等重要。超声回弹综合法应用也最广泛。超声回弹综合法借助于混凝上试块的抗压强度和非破损参数间的相关关系建立的曲线，即超声回弹综合法测强曲线，再根据实际回弹和超声结果推断结构混凝上强度。
1 无损检测技术
传统的无损检测技术得到了较大的发展，目前已有超声回弹法检测、红外检测、冲击回波检测、光干涉，脉冲雷达、振动试验分析等。传统的检测方法一般可以对桥梁的外观及部分结构特性进行监测，可以对桥梁局郎关键构件，节点可以进行较为合理的损伤的判断。
回弹法、超声回弹综合法为国内常用的两种无损检测混凝土强度方法。由于采用了两种非破损检测手段， 在一定程度上可以相互祢补单一检测方法的缺陷和不足，具有较小的误差和较高的检测精度，与钻芯法、后装拔出法、贯入阻力法、剥离法和折断法等半破损检测方法相比，无损检测方法最大的优点是对结构或构件不构成物理破坏， 其次还具有成本低、操作简便、工作量小等特点。超声回弹综合法顾名思义， 就是综合两者， 从表面弹性和塑性性能与密实度、孔隙等内部状况两方面综合对构件或结构性能进行评价， 提高了单一物理量无损法检测混凝土强度的精度。
2 试块制作
实验试件采用150mm 标准试件， 钢模振动成型， 强度等级均为C40, 每个实验水平一组试件， 六块标准试件一组， 共15 组90块试件， 全部试件(除养生条件对比试件外)都采取28d标准养生。制作混凝土的原材料采用江苏地区常用的材料， 水泥采用江苏地区的32.5 和42.5 强度等级的普通硅酸盐水泥， 细骨料采用本地河砂， 基本上以中砂为主， 粗骨料采用镇江地区的粒径在5～20mm 之间的碎石， 水采用普通自来水。
本实验以江苏地区为基础， 以镇江市C40混凝土配合比为基础配合比， 各影响因素的不同水平的试件在制备中只改变基础配合比中对应项， 其它各项保持不变。
3 实验结果及分析
本实验共采集15 组90 个试件的超声声速值、回弹值和抗压强度值， 根据CECS02: 2005规定处理数据―每个试件的声速值取平均值；回弹值去掉三个最大值和三个最小值， 剩下10个回弹值取平均值； 抗压强度值换算为MPa。为保证数据均匀准确并具有代表性， 减少异常值和异常组对回归分析和影响因素分析的影响， 采用格拉布斯检测(以下简称G检测)检测异常数据， G检测大于95% 即为高度异常值， 大于99% 应予以剔除；异常数组用CECS: 2005第6.0.8条检测， 实测抗压强度值差异过大的数据组将被剔除。本文采用将影响因素数据代入测强曲线的方法研究各影响因素对测强曲线的影响。课题初步建立的江苏地区测强基本曲线如下
(1)
式中：――第i个测区混凝土强度换算值，MPa；
――第i个测区修正后的超声波声速值，km/s；
――第i个测区修正后的回弹值。
建立测强曲线所用的回归分析就是利用统计学方法确定混凝土试块抗压强度、声速值和回弹值之间相互依赖的定量关系。这种定量关系会随着数据数量与质量的变化产生变化， 不是一成不变的， 随之而来的相对标准误差和相关系数的变化体现出这种变化是向好的方向变化， 还是向坏方向变化。
如果相对误差减小， 同时相关系数增大说明新的数据的加入使测强曲线更加精确， 不需修正， 反之则需要根据具体情况加以修正。
在超声回弹法测试混凝土强度的过程中，为确保一定的精度，同时在同一测区还选择3点，测试它们相应的超声声速值。利用以下公式计算测区声速：
(2)
(3)
式中：――测区声速值，km/s；
――超声测距，mm；
――测区平均声速时值，；
，，――分别为测区中3个测噗的声时值。
由上式计算所得的平均声速值也要根据不同的测试条件进行相关修正值即为该测区的最终超声声速值。
4 工程概况
某大桥建成于1962年，主桥长562m。在2010年对大桥桥面进行维修时，施工方在对大桥进行检测时发现部分行车道板底面边缘处由于桥面雨水的渗漏，出再板底混凝土剥落致使部分钢筋外露，发生外露钢筋腐蚀的情况。因此需要对行车道板混凝土强度进行测定。
4.1检测设备与方法
主要检测设备有同济大学声学研究所研制的多功能超声检测系统；天津建筑仪器；山东乐陵市回弹仪厂生产的ZC3-A型数学回弹仪。根据超声回弹综合法检测混凝土强度的要求，对桥面行车道板的强度进行了检测。
根据所得修正后的回弹值和超声声速值，代入公式(1)，计算结果详见表1。
计算各测区的混凝土板的强度。由于各桥面板可以看作是单个构件，因此，各板的混凝土强度推定值，即为该板各测区最小的混凝土强度换算值。
45块C40行车道板板面强度检测结果见表1。从表1可见，除了001号与039号行车板强度较低外，其余43块行车板板面强度都能较好地满足设计的要求。这说明要求大桥的行车道板施工质量较好，虽然经过近40年的使用，但其板的质量仍基本符合原设计要求，而且直观下板而也无任何横向裂纹，表明该板无疲劳损伤现象，该大桥仍可以继续工作。
表1 大桥行车道板超声回弹检测结果
4 结束语
通过对相应混凝土试块检测数据的回归分析，建立了超声回弹仪检测混凝土强度的综合测强曲线，运用相应曲线进行精确检测。现场检测前应做好仪器设备和构件选择的准备工作，合理布置测区；检测时选择合适的检测方法，认真细致地检测；检测数据处理时应重点注意相关数据的修正；混凝土强度推定时应按照《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》相关规定进行。只要把好每一步关，才能能到精确的检测效果，为桥梁检测和评定做出科学判断。
参考文献：
[1]JGJ/ T23- 2001回弹法检测混凝土抗压强度技术规程[S].
关键词：声速测量；驻波法；相位比较法；数据处理；Origin软件；拟合直线
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）15-0261-03
Abstract： Data processing methods of sound velocity measurement experiment frequently use the gradual deduction method and the least square method， but need more calculation， and the process is complicated. In order to facilitate the data processing， in this paper the velocity measurement data processing using of Origin software were studied. The results show that the fitting line of standing wave method and phase comparison method is equally， also show that the datd of measuring sound velocity of the two methods have good linear relationship. But the measurement error of the phase comparison method is less than the standing wave method， illustrate the phase comparison method on the sound velocity measurement is better than that of standing wave method， but may be caused by the data interval made great when use the phase comparison method to measure . which needs further proof.
Key words： sound velocity measurement； standing wave method； phase comparison method； data processing； origin software； fitting line
1 概述
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的弹性机械波。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率在20～20000Hz的声波称为可闻波，而超过20000Hz的声波称为超声波[1]。超声波具有波长短，易于定向发射等特点，使得在超声波段测量声速比较方便。实际应用中超声波传播速度对于超声波测距、定位、液体流速测定、溶液浓度测定、材料弹性模量测定等方面都有重要意义[2]。声速测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式V=l/t，测出传播距离l和所需时间t后，即可计算出声速；第二类方法是利用关系式V=λf，测出其波长λ和频率f也可计算出声速V[3-4]。本文用到的驻波法和相位比较法属第二类方法，即利用声速和波长、频率的关系测量声速。
2 实验原理
2.1 驻波法
实验装置如图1所示，从发射换能器S1发出一定频率的平面波，经过空气传播到接收换能器S2，一部分被接收并在接收换能器电极上有电压输出，一部分向发射换能器方向反射。如果换能器的接收平面和发射平面平行，则反射波和入射波将在两端面间来回反射叠加[5-6]，由波的干涉理论可知，两列反向传播的同频率波干涉将形成驻波，驻波中振幅最大的点称为波腹，振幅最小的点称为波腹。由于声波传播过程中出现能量损耗，两列波形成的驻波并非理想驻波，但相邻波腹（或波节）之间的距离刚好等于半波长的整数倍，即示波器观察到的波形中相邻振幅极大值（或极小值）之间的距离为半个波长[7]。改变两只换能器间的距离l，同时用示波器监测接收换能器上的输出电压幅值变化，可观察到电压幅值随距离周期性的变化。若保证声波频率f不变，使用测试仪上的数显尺记录各相邻电压振幅极大值的位置，即可求出声波波长λ，则声速为
因此，只要测出声波频率f和波长λ，就可利用（1）式计算出声速[8]。
2.2 相位比较法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的传播。声波在传播过程中各个点的相位是不同的，当发射端与接收端的距离发生变化，入射波和反射波的相位差也变化[9]。将发射换能器和接收换能器分别与示波器的Y1、Y2通道连接，那么在示波器的Y1、Y2方向就分别输入了两只换能器所在处的声波的简谐振动信号，这两个简谐振动的振幅、频率相同，干涉后形成的图形称为李萨如图形。相位差不同时，李萨如图形也不同，如图2所示。
实验时改变S1、S2之间的距离l，相当于改变了入射波和反射波之间的相位差，在示波器上可观察到相位的变化，即李萨如图形的变化。当S1和S2之间的距离变化刚好等于一个波长λ时，则发射与接收信号之间的相位差也正好变化一个周期（即φ=2π），相同的图形就会出现。实际上，从任何一个状态开始观察，只要李萨如图形复原，S2移动的距离就为一个波长，但为了取得较为准确的实验结果，实验时以李萨如图形变为直线时为记录点。只要准确观察记录相位差变化一个周期时S2移动的距离，即可得出其对应声波的波长λ，即可利用公式（1）计算出声速V[10-14]。
2.3 空气中声速的理论值
空气中的声速与环境温度和湿度有关，若只考虑温度的影响，声速的理论计算式为：
其中t为环境温度，采用摄氏温标，T0=273.15K，V0为0℃时的声速，对于空气介质V0=331.45m/s。根据（2）式可计算出t℃时空气中声速的理论值。
3 数据原始记录
根据前述实验原理，声速测量时首先要测量环境温度t，本次实验的环境温度t=13.2℃。其次是测试系统的最佳工作频率，如表1所示。用驻波法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使干涉波形的振幅达到极大值，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，依次记录振幅极大值时数显尺的读数l2、l3、……、l12，如表2所示。用相位比较法测声速时，调节S1、S2之间的距离，使李萨如图形出现一、三象限斜直线，记录此时数显尺的读数l1，然后同方向移动S2，每出现5次一、三象限斜直线时记录一次数显尺读数，分别记为l2、l3、……、l6，如表3所示，这样两个相邻数据之间的差值为5个波长的长度。
4 数据处理及分析
4.1 空气中声速理论值
环境温度为13.2℃时，声速的理论值：
=339.364m/s
4.2 驻波法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=λ/2，x=i，打开Origin软件后，界面上会出现两列空白数据表格A（X）、B（Y），分别输入1～12和l1～l12的值，以i为横坐标，li为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图1所示，拟合报告如表4所示。
从图1中可以看出拟合直线和理论曲线符合得较好，即i和li具有严格的线性关系，这也可以从拟合报告中看出，因为关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以理论曲线接近于直线。拟合报告中b=λ/2=4.76449，所以波长λ=9.52898≈9.529mm。因此声速V=λf=9.529×35.928=342.358m/s与理论值的误E=（V-Vs）/Vs=0.88%。
4.3 相位比较法
设拟合直线方程为y=a+bx，令y=li，b=5λ，x=i，打开Origin软件后，界面与驻波法一样，在数据表格A（X）、B（Y）中分别输入1～6和l1～l6，以i为横坐标，li作为纵坐标，利用Origin进行线性拟合，拟合直线如图2所示，拟合报告如表5所示。
从图2中可以看出相位比较法的拟合直线效果与驻波法一样，因为二者的关联系数r=0.99999，非常接近于1，所以相位比较法测声速时也可以得到较好的结果。拟合报告中b=5λ=47.39303，所以波长λ=9.478606≈9.479mm。因此声速V=λf=9.479×35.928=340.562m/s与理论值的误差E=（V-Vs）/Vs=0.35%。
5 结束语
本文利用Origin软件对声速测量的实验数据进行了处理，从结果上来看，驻波法和相位比较法测声速在直线拟合时效果都较好，因为二者的关联系数r一样，所以两种方法测得的实验数据都具有良好的线性关系。但两种方法测得声速实际值与理论值的误差不一样，相位比较法的误差小一些，说明相位比较法比驻波法在测声速上具有优势。但也可能是数据间隔较大引起的，驻波法的数据间隔是半波长，相位比较法的是5个波长，这点有待笔者进一步证明。
参考文献：
[1] 李相银。大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2009.
[2] 刘书华，宋建民。物理实验教程[M].北京：清华大学出版社，2014.
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[10] 王红晨，卞之。基于LabVIEW的声速测量[J].华中农业大学学报，2009，28（4）：504-506.
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关键词 超声波；测距；温度检测；单片机
中图分类号：O422 文献标识码：A 文章编号：1671—7597（2013）041-136-01
1 设计原理与方法
1.1 声波测距原理
声波测距原理以声波在空气中的传播速度v已知为前提，测量声波从发射传播到设定障碍物所用的时间：Δt，根据如下公式算出初始测量点到设定障碍物的实际距离L：
L=v×Δt （1）
1.2 声速计算方法
本文采用由干燥空气中声速v的计算公式：
v=v0（1+T/T0）1/2? （2）
来计算声速，式中T（k）为环境温度即室温，v0=331.5 m/s为干燥空气中声音的传播速度，T0=273.15K。然而本文考虑到在实际声音传播环境中空气会由于水蒸气等不完全是干燥空气，所以仅以上式（2）测量声速会带来较大误差。由此本文决定通过测定当时环境下的空气平均摩尔质量和比热比来减少空气湿度带来的误差，即声速v：
v=331.5（1+T/T0）1/2（1+0.31r·Ps/P）1/2? （3）
可用饱和蒸汽压力和温度的关系表中查出温度为T（K）时空气的饱和蒸汽压力Ps，从干湿温度计上读出相对湿度r，P为当时大气压力。
2 实验仪器与装置
本文通过资料的查阅，认为可以通过超声波在传播过程中遇到障碍物后发生反射的原理，根据介质中超声波的传播速度，测量出超声波从波源起一直到被物体反射后重新到达波源处所用的时间，从而求出物体间待测距离。
由此，本文设计以下种方案。
2.1 发射电路的设计
在本文设计的发射电路中，传感器采用压电陶瓷传感器UCM40T（其脉冲信号的工作频率为40 kHz，超声波换能器所需的40 K方波信号由单片机的P1.0口输出）。
2.2 接收电路的设计
在本文设计的接收电路中，本文将超声波调制脉冲变为交变电压信号，并且接头采用与发射头配对的UCM40R，在对接收探头接收到的信号进行放大滤波（总放大增益为80 db）的过程中，采用途经CX20106A集成电路的办法。将中断请求信号设置为输出端7脚由高电平跃变为低电平的时刻，并将其送至单片机进行处理。
2.3 温度检测电路的设计
为了便于计算本文实验时的超声波速度 v=331.4+0.61×Tm·s-1，本文采用温度传感器检测本文实验环境下的温度。
3 数据测量与分析
根据本文的实验，本文得到以下的数据（见表1）：
表1 实验中超声波装置测量的数据（单位：cm）
对本文的实验数据的分析：
1）本文观察数据可以得出，在标定距离为200 cm-250 cm的距离范围内，测量的数据误差具有较其他范围稍大的波动性，所以本方案仍然存在一定的近距离盲区，即
2）从全程记录的16个数据来看，几乎所有的测量误差都在1 cm-2 cm，并且绝大部分都集中稳定在1 cm。所以本文认为本方案的装置适用于200 cm-500 cm（即2 m-5 m）物体间距之间的测量。
3）本文对450 cm-490 cm内的距离进行了多次的测试，发现他们的最大误差均不超过1 cm，所以该方法在该距离范围内的重复一致性比较良好。
4 结论
采用超声波测距法，设备较小，便于携带，适合于户外作业和运动作业。而且超声波在传播过程中超声波指向性强、能量消耗缓慢，在介质中传播较远，测量过程中具有线性度、稳定性和重复度好，抗干扰能力强等优点。在测定2 m-5 m范围内，理论误差可精确到1 cm之间。
同时限制实验最大可测距离存在四个因素：超声波的振幅、反射的质地、反射声波和入射声波的夹角以及接收换能器的灵敏度。为了增加测量的覆盖范围，减少测量误差，获得更小更精确的最小可测距离，本文建议使用多个超声波换能器分别作为超声波发射/接受的设计方法。而且，超声波属于声波范围，波速与温度有关，由此本文增加了对空气平均摩尔质量和比热比的修正，使得实验误差进一步降低。
综上所述，本文认为方案二着眼于单片机设计的超声波发射接收测距装置具有很多优点，突出表现为结构简单、实用、价格低廉、精确度较高（误差较小）、稳定性较强等特点。适用于2 m-5 m范围内的物体间距的测量。
参考文献