一种基于声场可视化的声速测量装置的制作方法

1.本实用新型属于声光学技术领域，具体涉及一种基于声场可视化的声速测量装置。


背景技术：

2.声波是在弹性介质中传播的一种机械波。由于声波场的传输与介质弹性模量、流体的密度、成分以及环境的温度等因素密切相关，因此监测介质中声波场的相关参数，如声速、声场分布、声压等，对于声学应用技术具有重要意义。目前声速测量的主要方法有驻波法、相位比较法、渡越时间法等。这些方法本质上都是通过超声接收器接收超声信号，通过超声接收器相对于超声发生器的位置及接收声波的时间来计算声波的速度。在现有技术中，声场的分布是不可知的。当声波在透明的液体、气体或者固体介质光学介质中传播时，虽然这些物体的振幅透过率分布是均匀的，但其折射率空间分布由于声波场的调制而导致不均匀，形成一种特殊的相位物体。由于人眼或常见的光探测器都只能辨别光强度(光场振幅)的变化而无法判断其相位的变化，因此也就不能“看见”相位物体，即不能区分相位物体内厚度或折射率不同的各部分。因此，如果能够观察上述相位物体中的声场分布，又能实现声速的测量，将是对声场表征及声速测量方法的重要有益补充。针对透明介质中的声场分布，纹影光学成像技术是一种有效的探测手段。因为当声波在相位物体中传播时，声压改变了介质密度，从而改变其折射率，纹影技术可以利用介质中折射率分布转换为光强分布，进而反映介质中的密度分布来表征声波场的分布。目前已经有不少利用纹影技术进行声场成像的报道。但这些工作中，主要是利用两种纹影成像系统对声场成像。一种是基于透射式4f系统的纹影系统，另一种是基于z型光路(阴影法)的反射式纹影系统。上述两种纹影系统的搭建，一方面需要较多的光学镜片，另一方面光路搭建与调节较为复杂。因此需要设计一种搭设简易，成本低廉且能将声波可视化的简易装置系统。


技术实现要素：

3.本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于声场可视化的声速测量装置，该装置结构简单合理，组成部件少，成本低廉，能形成一种v型纹影光路，可以直观、方便地实现声波反射、衍射等演示，并且可以通过声波场的可视化图像直接测量超声波长，进而计算声速，使用效果好，能提高试验测量声速的效率。
4.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种基于声场可视化的声速测量装置，其特征在于，包括超声发生器、凹面反射镜、双通道信号发生器、led灯和接收终端，所述超声发生器和led灯分别通过导线与双通道信号发生器的两个接口连接，所述凹面反射镜通过镜面支架竖直设置，所述超声发生器、led灯和接收终端分别通过支架设置在凹面反射镜的镜面前方，所述led灯和接收终端与凹面反射镜之间的距离为凹面反射镜的两倍焦距。超声发生器与凹面反射镜距离为5cm。
5.优选地，所述led灯为白光led灯，所述led灯的光源入射方向正对所述凹面反射镜
的镜面，所述接收终端为智能手机或者半导体感光元件。
6.优选地，所述超声发生器发出的超声频率为40khz，所述凹面反射镜的口径为203mm、焦距为800mm。
7.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
8.1、本实用新型结构简单合理，组成部件少，组装方便，成本低廉，能形成v型纹影光路，可以直观、方便地实现声波反射、衍射等演示，并且可以通过声波场的可视化图像直接测量超声波长，进而计算声速，使用效果好。
9.2、本实用新型装置相比较于其他纹影实验装置，结构更加简单，不需要专业摄像机、不需要刀口滤波，实验教学演示中只要利用个人手机的摄像头功能即可，光路调节更容易避免了4f系统的调节，所需元件廉价易得，容易在教学研究中实施，结合了光学与声学相关内容，一方面可以作为声光结合的演示实验，另一方面可以作为声速测量实验内容的拓展补充。
10.下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。
附图说明
11.图1是本实用新型的装置架构示意图。
12.附图标记说明：
13.1—凹面反射镜；
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2—超声发生器；
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3—双通道信号发生器；
14.4—led灯；
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5—接收终端；
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6—导线。
具体实施方式
15.如图1所示，本实用新型包括超声发生器2、凹面反射镜1、双通道信号发生器3、led灯4和接收终端5，所述超声发生器2和led灯4分别通过导线6与双通道信号发生器3的两个接口连接，所述凹面反射镜1 通过镜面支架竖直设置，所述超声发生器2、led灯4和接收终端5分别通过支架设置在凹面反射镜1的镜面前方，所述led灯4和接收终端5 与凹面反射镜1之间的距离为凹面反射镜1的两倍焦距。超声发生器与凹面反射镜的最小距离为5cm。
16.本实施例中，所述led灯4为白光led灯，所述led灯4的光源入射方向正对所述凹面反射镜1的镜面，所述接收终端5为智能手机或者半导体感光元件。
17.本实施例中，所述超声发生器2发出的超声频率为40khz，所述凹面反射镜1的口径为203mm、焦距为800mm，所述双通道信号发生器3优选使用品牌型号为rigol function/arbitrary waveform generatordg1022u的超声发生器。
18.使用时，连接所述led灯4的双通道信号发生器3一个通道的输出频率调到40khz，电压输出调至5.8v；超声发生器2接入所述双通道信号发生器3的另一个通道，该通道输出频率调到40khz，电压输出放大至100v。调整所述led灯4的位置(左右、上下调节)，使其经过所述凹面反射镜1 反射聚焦的光斑位置与所述led灯4等高；将所述接收终端5安置在光斑附近，所述接收终端5镜头对准所述凹面反射镜1，调整所述接收终端5位置让所述led灯4的光斑进入所述接收终端5镜头；开启所述接收终端5 拍摄功能，缓慢调整所述接收终端5位置，让均匀的所述led灯4的光斑充满所述接收终端5显示屏幕中的整个所述凹面反射镜1的像；由于所述双通道信号发生器3提供给所述led灯4和所述超声发生器2的驱动频率均为
40khz，根据频闪原理，在所述接收终端5的显示屏幕上可以看到稳定的超声场的空间分布，也就是实现超声场的可视化。当所述led灯4的驱动频率大于40khz时，所述接收终端5显示屏幕上超声波纹影图像呈现往回收的状态，即超声波向超声源的方向匀速运动；当所述led灯4的频率小于40khz 时，所述接收终端5显示屏幕上超声波纹影图像呈现往外涌的状态，即超声波向远离超声源的方向匀速运动。故改变所述超声发生器2与所述led灯4 的驱动频率差，可以非常直观地演示超声场的波动性。在所述超声发生器 2前放置金属反射面或者宽度适当的狭缝，可以直观地在所述接收终端5 显示屏幕上看到超声场的反射与衍射。
19.利用所述接收终端5的拍摄功能，可以得到所述超声发生器2的超声纹影图像。使用photoshop或者windows操作系统中画图程序的标尺工具，可以直接测量出所拍摄照片中超声波发生器尺寸以及超声波间距，即相应物理量所对应的像素长度。
20.表1：像素图超声波发生器尺寸测量表
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表2：像素图超声波间距测量表
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图中超声发生器像素高度超声场的波节平均间距根据超声发生器实际高度d0＝11.0mm，利用比例关系即可求出实际超声场的波节间距(也就是波长)λ＝8.49mm。由频率f、波长λ和声速v关系式v＝fλ得出声速实验值v＝339.60m/s。根据理论公式
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其中v0为t0＝273.15k时的声速，v0＝331.45m/s，t＝(t/℃ 273.15)k。实验时实验室温度为25℃，计算可得声速理论值为346.20m/s。利用本装置测量得到的声速的相对误差为2.0％。
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以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。