声速测定实验是大学物理实验中的经典实验[1]。目前，实验室普遍采用的测量方法是驻波法[2](也称共振干涉法或振幅法)和相位法[3]，常用的仪器有SV4型声速测定仪、函数信号发生器和示波器等。学生在实验时，主要通过目测正弦信号的振幅大小和李萨如图形的形状来确定测量的位置。这种方法虽然具有一定的可行性，但易受实验者主观因素和仪器分辨率的影响，因此测量精度较低，且无法实时记录和存储信号。驻波法和相位法都是利用声波的波动特性，但两种操作往往是分开完成，学生无法在示波器上同时观察到振动信号和李萨如图形，因此不利于学生对测量原理的理解。本文利用NI ELVIS平台[4,5]和LabVIEW虚拟仪器对原有实验进行改进，设计出基于虚拟仪器的声速测定实验系统，实现了振动信号的实时显示、记录和存储，也可以同步显示振动信号和李萨如图形，同时可以把定性判断变为定量测量，从而提高测量的精度。

1 实验系统设计

实验装置主要包括NI ELVIS实验平台、SV4型声速测定仪和计算机，如图1所示。

图1 实验装置设计图

首先将计算机用高速USB接口与NI ELVIS实验平台相连，利用LabVIEW软件中的虚拟函数发生器产生一个频率为37KHz左右的激励信号，再通过NI ELVIS实验平台上的FGEN接口将激励信号加载到声速测定仪的发射换能器S1上，形成一列声波，接收换能器S2将接收到的振动信号通过平台上的CH0通道采集至计算机，同时将平台上的FGEN接口与CH1通道相连，实时采集激励信号并上传至计算机。计算机接收到数据后，在人机交互界面上实时显示接收信号幅值和李萨如图形。

2 实验原理

实验时，激励信号使发射换能器中的压电陶瓷产生机械振动，经空气传播后形成声波。声波的波速u，波长λ和谐振频率f之间满足如下关系

因此，本文选取京津冀、长三角和珠三角三个典型城市群的城镇居民生活用电为研究对象，结合经济社会发展因素，从城镇居民生活用电现状和影响因素出发，将能源强度和产业结构因素纳入模型，分析三大典型城市群城镇居民生活用电趋势和规律，比较经济发展水平相近的城镇地区的居民生活用电影响因素贡献度差异，拟为优化居民生活能源消费结构和完善城市群用电市场提出建议。

参考文献：

(1)

因此，只要测出声波的波长λ和谐振频率f，即可利用式(1)计算出声速。谐振频率f可以直接在虚拟信号发生器的面板上读出，而声波的波长则用驻波法或相位法来测量。用驻波法测量时，声波从S1端面向S2传播，经S2反射后与入射波产生干涉，在两端面之间形成驻波。沿声波传播方向移动接收换能器S2，S2接收到的信号幅度呈周期性变化，测出任意两个信号幅度极大值之间的距离即为半波长λ/2[6]。而用相位法测量时，需将激励信号和接收信号合成为李萨如图形，移动接收换能器后，由于两信号的相位差发生变化，李萨如图形的形状也会随之变化，通过测量两相邻同相位之间的距离即为波长λ。

3 实验过程

借助声速测定仪上的数显游标卡尺(最小刻度为0.01 mm)，每0.50 mm移动一次S2，采集的接收端幅值波形如图3所示，可以观察到明显的台阶状，并且成周期性变化。为了更加准确的找到信号幅值的极大值，在极大值附近将每次移动的距离变为0.02 mm，测量数据如图6所示。利用Origin软件对数据进行滤波，消除部分尖锐脉冲的干扰后，可以清楚的还原出信号幅值的变化趋势，由此可以准确的确定信号幅值极大值所在的位置。

图2 虚拟函数发生器的前面板

接下来移动S2，将接收端信号幅值调成极大值，然后调节激励信号的频率，再次将接收端信号幅值调成极大值，此时的频率即为谐振频率f，如图5所示。

图3 LabVIEW程序前面板

图4 LabVIEW程序框图

[2] 陈殿伟,盖啸尘,王严东.驻波法测定超声波声速实验的探究[J].大学物理实验,2006,19(3):36-39.

选择正弦信号，信号频率有三种调节方式：手动旋钮调节、仪器面板调节和扫频。选择手动旋钮调节，将信号的频率设定在37 KHz左右，幅度设定在5 V左右。打开LabVIEW采集程序就可以实时观察到输入信号波形、接收信号波形、接收信号幅值波形、输入信号频率和李萨如图形，如图3和4所示。

图5 信号频率与幅值关系

在LabVIEW软件中打开虚拟信号发生器FGEN，如图2所示。

图6 接收端信号幅值波形

4 实验结果和分析

测得的结果如表1所示，激励信号的谐振频率f=37 452.96 Hz，共测得10个信号极大值位置。利用Origin软件对测得的数据进行线性拟合，结果如图7所示。拟合出的直线斜率为(4.519±0.002)mm，可得声波波长为λ=(9.038±0.004)mm，代入式(1)中可求得声速u=338.50 m/s。实验过程中用水银温度计测得平均温度为8.3 ℃，利用声速公式求得相同条件下的理论值为v=336.45m/s。相对误差为0.6%。

实验中所用的虚拟示波器的采样精度和激励信号的精度均达到为50 ppm，谐振频率的波动在1 Hz以内，其误差不超过0.003%，数显游标卡尺的精度按0.02 mm来算，x的误差不超过0.05%，综合以上误差项，声速的相对误差不超过1%，与实验结果基本吻合。

表1 信号幅值极大值位置

序号/n极大值位置/(x/mm)序号/n极大值位置(x/mm)10622.6224.52727.1439.03831.63413.57936.15518.051040.66

图7 n与x拟合曲线图

5 结 论

本文对传统声速实验进行改进，设计出了基于NI ELVIS教学平台和LabVIEW软件的声速测定实验系统，实验结果表明：该系统软件界面友好，操作简单，具有较强的灵活性和扩展功能，测得的声速相对误差在1%以内，具有较高的精度，弥补了传统声速实验依靠目测，测量不准的弊端。随着计算机技术的快速发展，基于虚拟仪器的可视化，友好用户界面的控制程序软件已广泛应用于各种类型的实验教学和创新研究中。该系统将信号幅值与李萨如图形同步实时显示，学生亦可通过相位法来测量，使得教学内容更加丰富，教学模式更加新颖，有利于激发学生的学习兴趣，调动学生实验的积极性和主动性，加深学生对课程的理解，提高学生的科学素养和实践动手能力。

另外，注水的冻猪瘦肉卷，透过塑料薄膜，可以看到里面有灰白色半透明的冰和红色血冰。砍开后可见有碎冰块和冰渣溅出，肌肉解冻后还会有许多渗出的血水。价格便宜的猪肉卷，多半是做分割肉的下脚料，常混有病变废弃物，购买时要当心。

u=λf

[1] 金雪尘, 王刚,李恒梅.物理实验[M].南京：南京大学出版社,2017.

[3]Beijing-Washington cooperation on the Belt and Road initiative is highly likely to be the most significant basis for global peace in the 21st century.

笔者还向组内的微课制作高手学习，比如微课脚本如何写、PPT如何制作，视频如何录制等.参加工作五年来，笔者结合自身的实践，总结出了初中数学常见的三类微课(巩固知识、突破难点、构建网络)的设计与实施方法，以“案例+PPT+微课脚本”的形式撰写了《例谈初中数学三类微课的设计与实施》发表于《教学月刊·中学版(教学参考)》2017年第12期.

采集到的接收端信号、信号幅值和频率将实时存储于计算机中，再利用Origin软件对数据进行处理[7]。

[3] 程贞,陈高攀,喻志远,等.基于相位差法的声速测量[J].物理通报，2013(11):79-80.

通过分析我们得出，工程项目的质量管理主要可以从三个地方着手，分别是对施工材料以及施工设备的质量进行严格把控、建立健全质量安全责任体系、对项目施工人员的专业素质以及技能进行提升等。

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[4] 陈锡辉,张银鸿.Labview8.20程序设计从入门到精通[M].北京：清华大学出版社,2007.

[5] 杨乐平,李海涛,杨磊.LavVIEW程序设计与应用[M].北京：电子工业出版社,2005.

[6] 康永刚,张秀娥.对驻波法测声速的讨论[J].物理通报,2011(11)：11-12.

㉔［日］成田頼明:《行政の制度·システムの改革と会計検査のあり方》，《会計検査研究》22号【巻頭言】2000年第9期。

[7] 周剑平.Origin实用教程(7.5版)[M].西安：西安交大出版社,2007.

[8] 李天一,何沃洲,卢子璇,等.声速测量实验方法的改进[J].物理与工程,2016,26(3)：29-32.