实验 73 声测距与定位实验 学生

2.32
D3=|d7-d2|
50.00
T3=|t7-t2|
2.91
D4=|d8-d3|
50.00
T4=|t8-t3|
3.49
D5=|d9-d4|
50.00
T5=|t9-t4|
4.07 4.65
D
50.00
T
5.21
5.81
v 2D /T
6.40
Er
v -v理 v理
100%=
343.64-343.81 343.81
超声发射器、接收器和反射物置于导轨上，通过导轨上的标尺可以测出反射
面到接收器的距离 s，即可计算出声速 v=2s/t，如图 1 所示。
如果已知声速，测量出信号发射与接收的时间差就可以确定反射物的距离。
这种方法非常常用，例如：测量海水深度。
发射器与接收器
反射物
S
图 1 原理图
实验仪器
该仪器由超声发射器和接收器，声测距与定位实验仪器和倒车雷达报警模 块，带标尺的导轨，双踪示波器（实验室自备），反射板组成，9V 电源适配器。
算出声速； – 将实验仪的选择按钮置于温度显示，记录测试仪上显示的环境温度。
空气中的声速是环境温度 t0 的函数，声速的理论值为：
3. 声测距与定位
v理 =331ห้องสมุดไป่ตู้45
1+ t0 273.15
（1）
通过测量，可知回声信号的传输时间 t ，再由上一步骤中测定的声速，即
可计算出本实验中反射物的距离 d ，确定反射物的位置。
Er
v -v理 v理
100%=
343.73-343.81 343.81
100%=0.02%
5
图 8 距离与时间曲线图 3. 距离与电压变换关系测定
表 3 距离与电压变换关系数据 距离/cm 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1110 电压/V 1.57 2.22 2.96 3.57 4.21 4.87 5.55 6.28 6.87 7.56
100%=0.05%
2.图解法计算解声速
逐差/ms 2.93 2.91 2.89 2.90 2.91
2.91
343.64m/s
采用示波器测量数据得到图 5，v 测=34.373cm/ms=343.73m/s。 理论值：
v理 =331.45
1
t0 273.15
331.45
1
20.8 273.15
343.81m/s
1
实验装置见图 2。
图 2 实验装置 声测距与定位实验仪面板如图 3 所示。①显示屏；②发射信号输出接口，接 示波器 1 通道；③回波信号输出接口，接示波器 2 通道；④工作模式切换按键， 按下时显示时间，弹出时显示环境温度；⑤电源开关。发射信号与回波信号在模 拟示波器上显示波形见图 4，图 4(a)是模拟示波器两通道信号分别显示的效果图， 图 4(b)是模拟示波器两通道信号叠加后显示的效果图。
原理图实验仪器该仪器由超声发射器和接收器声测距与定位实验仪器和倒车雷达报警模块带标尺的导轨双踪示波器实验室自备反射板组成9v电源适配器
实验 73 声测距与定位实验
概述
声波在具有不同声波阻抗的介质界面会被反射。本仪器利用一个回声测深仪 （“声纳”）装置发出超声波脉冲信号，测量信号从发射经物体反射物到接收器的 时间。发射器和接收器设置在相同的位置，超声发射器、接收器和反射物置于导 轨上，通过导轨上的标尺可以测出反射面到接收器的距离，即可计算出声速。如 果已知声速，测量出信号发射与接收的时间差就可以确定反射物的距离。这种方 法非常常用，例如：倒车雷达，测量海水深度。
实验目的
1. 掌握回声测量的原理； 2. 利用声波的传输时间以及传输距离测定空气中的声速； 3. 利用声波的传输时间定位。
实验原理
声波在具有不同声波阻抗的介质界面会被反射。本仪器利用一个回声测深仪
（“声纳”）装置发出超声波脉冲信号，测量信号从发射器→反射物→接收器的时
间 t。本仪器中，发射器和接收器设置在相同的位置。
图 5 变换模块
图 6 比较器模块
图 7 报警器原理图
注意事项
1.反射板附近请勿放置物品，否则会影响回波信号； 2.打开仪器电源预热 1 分钟以上再进行数据测量； 3.建议示波器时间扫描用 1ms 档。
3
实验内容及步骤
1. 测定声速： – 将超声探头置于 5cm 处，将反射板分别置于 25cm、35cm、45cm、55cm、65cm、
75cm、85cm、95cm、105cm、115cm 处；。 – 从实验仪上读出声波传输时间差 t； – 从示波器读出传输时间差 t； – 将 d，t 的值记录在数据表格。 2. 分别用逐差法和绘图法计算声速 – 用逐差法计算声速； – 用作图法计算声速，请注意：超声传输路径 s 2d 。从该直线的斜率，可计
①
②
④
ms
℃
③
⑤
图 3 主机面板
图 4 (a)
图 4 (b)
图 4 模拟示波器显示效果
倒车雷达的核心模块如图 5 所示，将距离变换成电压，成线性关系。图 5 中的接收信号与发射信号插孔采用导线连接至主机的发射信号和接收信号。需
2
要测定距离与模块输出电压的变换曲线，根据曲线设计报警器。比较器模块如 图 6 所示，为双比较器，图中 8 插孔接电源正极，4 插口接电源负极，5、6、 7 为一组比较器，1、2、3 为一组比较器。比较器的应用原理，如图 7 所示。 UB 通过调节 2.2K 电位器设置，UA 的电压值随距离的变化而变化，距离越大， 电压值大。当时 UA>UB，比较器输 UO 接近电源电压，蜂鸣器两端的电压差 不足以使蜂鸣器工作。当 UA<UB 时，比较器输出 UO 接近 0V，蜂鸣器两端 的电压差足够大，蜂鸣器正常工作。
次数 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
d/cm 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 90.00 100.00 110.00
t/ms
逐差/cm
1.14
D1=|d5-d0|
50.00
T1=|t5-t0|
1.74
D2=|d6-d1|
50.00
T2=|t6-t1|
4. 倒车雷达
测试变换模块的输出曲线，设计倒车雷达报警电路。根据变换模块的输出曲
线计算距离 35cm 时模块输出的电压；搭建电路测量 35cm 报警临界状态时，记
录比较器输入两端的电压值 UA 与 UB。
4
数据处理
表 1 声速测量数据记录
温度 (℃) 探头坐标 (cm) 反射板坐标 （cm） 仪器读数 （ms） 示波器读数 (ms)
20.8
5.00
25.00 35.00 45.00 55.00 65.00 75.00 85.00
1.14 1.74 2.32 2.91 3.49 4.07 4.65
1.0
1.7
2.2
2.8
3.4
3.9
4.5
95.00 105.00 115.00
5.21
5.81 6.40
5.1
5.7
6.3
表 2 逐差法计算声速
图 9 距离-电压变换曲线
设计实验
1. 根据本实验原理，设计倒车雷达； 2. 由式（1）设计声温度计。
6