多普勒效应及声速综合测试仪说明书(第3版修订0835)

（附：DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪使用说明书）多普勒效应的研究和应用声速的多途径综合测量实验讲义杭州大华科教仪器研究所杭州大华仪器制造有限公司1一、概述对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时,观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。多普勒效应在核物理，天文学、工程技术，交通管理，医疗诊断等方面有十分广泛的应用。如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。二、实验原理1、声波的多普勒效应设声源在原点，声源振动频率为f，接收点在x，运动和传播都在x方向。对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。声源、接收器和传播介质不动时，在x方向传播的声波的数学表达式为：xctpp00cos（1-1）①声源运动速度为SV，介质和接收点不动设声速为0c，在时刻t,声源移动的距离为)(0cxtVS因而声源实际的距离为)(00cxtVxxS∴)1/()(0SSMtVxx（1-2）其中SM=SV/0c为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时SV（或SM）为正，反之为负，将式1-2代入式1-1：0001coscxtMppS可见接收器接收到的频率变为原来的SM11,即:2SSMff1（1-3）②声源、介质不动，接收器运动速度为rV，同理可得接收器接收到的频率:fcVfMfrrr)1()1(0（1-4）其中0cVMrr为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时rV（或rM）为正，反之为负。③介质不动，声源运动速度为SV，接收器运动速度为rV，可得接收器接收到的频率:fMsMfrrs11（1-5）④介质运动，设介质运动速度为mV,得tVxxm0根据1-1式可得：∴0001cosxctMppm（1-6）其中0mmcVM为介质运动的马赫数。介质向着接收点运动时mV（或mM）为正，反之为负。可见若声源和接收器不动，则接收器接收到的频率：fMfmm)1(（1-7）还可看出，若声源和介质一起运动，则频率不变。为了简单起见，本实验只研究第2种情况：声源、介质不动，接收器运动速度为rV。根据1-4式可知，改变rV就可得到不同的rf以及不同的△f=rf-f，从而验证了多普勒效应。另外，若已知rV、f，并测出rf，则可算出声速0c，可将用3多普勒频移测得的声速值与用时差法测得的声速作比较。若将仪器的超声换能器用作速度传感器，就可用多普勒效应来研究物体的运动状态。2、声速的几种测量原理①超声波与压电陶瓷换能器频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz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，易于定向发射等优点。声速实验所采用的声波频率一般都在20～60kHz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。图1纵向换能器的结构简图。压电陶瓷换能器根据它的工作方式，分为纵向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。声速教学实验中所用的大多数采用纵向换能器。图1为纵向换能器的结构简图。②共振干涉法（驻波法）测量声速假设在无限声场中，仅有一个点声源换能器1（发射换能器）和一个接收平面（接收换能器2）。当点声源发出声波后，在此声场中只有一个反射面（即接收换能器平面），并且只产生一次反射。在上述假设条件下，发射波ξ1=A1cos（ωt+2πx/λ)。在S2处产生反射，反射波ξ2=A2cos（ωt-2πx/λ)，信号相位与ξ1相反，幅度A2＜A1。ξ1与ξ2在反射平面相交叠加，合成波束ξ3ξ3=ξ1+ξ2=A1cos（ωt+2πx/λ)+A2cos（ωt-2πx/λ)=A1cos（ωt+2πx/λ)+A1cos（ωt-2πx/λ)+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)=2A1cos(2πx/λ)cosωt+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)由此可见，合成后的波束ξ3在幅度上，具有随cos(2πx/λ)呈周期变化的特性，在相位上，具有随(2πx/λ)呈周期变化的特性。另外，由于反射波幅度小于发射波，合成波的幅度即使在波节处也不为0，而是按（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)变化。图2所示波形显示了叠加后的声波幅度，随距离按cos(2πx/λ)变化的特征。实验装置按图7所示，图中1和2为压电陶瓷换能器。换能器1作为声波发射后盖反射板压电陶瓷片辐射头正负电极片4器，它由信号源供给频率为数十千赫的交流电信号，由逆压电效应发出一平面超声波；而2则作为声波的接收器，压电效应将接收到的声压转换成电信号。将它输入示波器，我们就可看到一组由声压信号产生的正弦波形。由于换能器2在接收声波的同时还能反射一部分超声波，接收的声波、发射的声波振幅虽有差异，但二者周期相同且在同一线上沿相反方向传播，二者在换能器1和2区域内产生了波的干涉，形成驻波。我们在示波器上观察到的实际上是这两个相干波合成后在声波接收器（换能器2）处的振动情况。移动换能器2位置（即改变换能器1和2之间的距离），从示波器显示上会发现，当换能器2在某位置时振幅有最大值。根据波的干涉理论可以知道：任何二相邻的振幅最大值的位置之间（或二相邻的振幅最小值的位置之间）的距离均为λ/2。为了测量声波的波长，可以在一边观察示波器上声压振幅值的同时，缓慢的改变换能器1和2之间的距离。示波器上就可以看到声振动幅值不断地由最大变到最小再变到最大，二相邻的振幅最大之间的距离为λ/2；换能器2移动过的距离亦为λ/2。超声换能器2至1之间的距离的改变可通过转动滚花帽来实现，而超声波的频率又可由测试仪直接读出。图2换能器间距与合成幅度在连续多次测量相隔半波长的位置变化及声波频率f以后，我们可运用测量数据计算出声速，用逐差法处理测量的数据。③相位法测量原理图3用李萨如图观察相位变化发射换能器与接收换能器之间的距离接收到的信号幅度的包络波5由前述可知入射波ξ1与反射波ξ2叠加，形成波束ξ3=2A1cos(2πx/λ)cosωt+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)相对于发射波束：ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)来说，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ=2π△x/λ。由此可见，在经过△x距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为θ=2π△x/λ，如图3所示。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。④时差法测量原理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图4发射波与接收波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。三、实验内容1、测量超声接收换能器的运动速度与接收频率的关系，验证多普勒效应。2、用步进电机控制超声换能器的运动速度，通过测频求出空气中的声速。3、将超声换能器作为速度传感器，用于研究匀速直线运动，匀加（减）速直线运动，简谐振动等。4、在直射式和反射式两种情况下，用时差法测量空气中的声速。5、在直射式方式下，用相位法和驻波法测量空气中的声速。6、设计性实验：用多普勒效应测量运动物体的未知速度。7、设计性实验：利用超声波测量物体的位置及移动距离。6四、实验步骤把测试架上收发换能器(固定的换能器为发射，运动的换能器为接受)及光电门I连在实验仪上的相应插座上,实验仪上的“发射波形”及“接收波形”与普通双路示波器相接,将“发射强度”及“接收增益”调到最大；将测试架上的光电门II、限位及电机控制接口与智能运动控制系统相应接口相连；将智能运动控制系统“电源输入”接实验仪的“电源输出”。开机后可进行下面的实验。1、验证多普勒效应进入“多普勒效应实验”画面后，先“设置源频率”,用“”“”增减信号频率，一次变化10Hz，同时观察示波器的波形，当接收波幅达最大时，源频率即已设好。接着转入“瞬时测量”，确保小车在两限位光电门之间后，开启智能运动控制系统电源，设置匀速运动的速度，使小车运动，测量完毕后，可得到过光电门时的信号频率,多普勒频移及小车运动速度。改变小车速度，反复多次测量，可作出vf或vf关系曲线。改变小车的运动方向，再改变小车速度，反复多次测量，作出vf或vf关系曲线。然后转入“动态测量”，记下不同速度时换能器的接受频率变化值。注意：动态测量仅限于小车运动速度较低时。改变小车速度，反复多次测量，可作出vf或vf关系曲线。改变小车的运动方向，再改变小车速度，反复多次测量，作出vf或vf关系曲线。动态法可更直观的验证多普勒效应。2、用多普勒效应测声速测量步骤和1相同，只是转入“动态测量”或“瞬时测量”，小车运动速度由智能运动控制系统确定，频率由“动态测量”或“瞬时测量”确定,因而可由1-4式求出声速0c。进行多次测量后，求出声速的平均值，并与由时差法测出声速作比较。3、研究物体的运动状态7将超声换能器用作速度传感器，可进行匀速直线运动，匀加（减）直线运动，简谐振动等实验。这时应进入“变速运动实验”，设置好采样点数，采样步距后,“开始测量”，测量完后显示出结果。进行运动实验时，除了用智能运动系统控制的小车外，还可换用手动小车，这时注意应该推动小车系统的底部使小车运动，并且不能用力过大、过猛。4、用时差法测空气中的声速可在直射式和反射式两种方式下进行，进入“时差法测声速”画面，这时超声发射换能器发出75μs宽（填充3个脉冲），周期为30ms的脉冲波。在直射方式下，接收换能器接收直达波，在反射方式下接收由反射面来的反射波，这时显示一个△t值：△t1；用步进电机或用手移动小车（注意：手动移动小车时候，最好通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，以减小实验误差）,或改变反射面的位置，再得到一个△t值：△t2，从而算出声速值0c,120ttxc，其中△x为小车移动的距离（可以直接从标尺上读出或参考控制器中显示的距离）或为反射法时前后两次经过反射面的声程差。注意：按照图4所示的时差法测量原理，时间t为发射波到接收波的第一个波峰之间时间；在移动△x的过程中，只要△t的变化是连续的，测量误差最小。反射屏发射换能器接受换能器θθθL图5反射法测声速图6接收波形反射法测量声速时候，反射屏要远离两换能器，调整两换能器之间的距离、两换能器和反射屏之间的夹角θ以及垂直距离L，如图5所示，使数字示波器（双踪，由脉冲波触发）接收到稳定波形；利用数字示波器观察波形，通过调节示波器使接受波形的某一波头bn的波峰处在一个容易辨识的时间轴位置上，然后向前或向后水平调节反射屏的位置，使移动△L，记下此时示波器中先前那个波头bn在时间轴上移动的时间△t，如图6所示，从而得出声速值0c,sin20tLtxc。bnbn8用数字示波器测量时间同样适用于直射式测量，而且可以使测量范围增大。重复上述实验，得到多个声速值，最后求出声速的平均值，再与多普勒效应得到的声速值及如下的理论值相比较：16.273145.3310tc（m/s）其中t为室温，单位为℃。5、用驻波法和相位法测定空气中声速这时应进入“多普勒效应实验”画面，设置源频率，同时用示波器观察波形，应使接收波幅达到最大值。通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动来改变换能器位置。用驻波法测量时，逐渐移动小车的距离，同时观察接收波的幅值，找出相邻两个振幅最大值（或最小值）之间的距离差，此距离差为λ/2，λ为声波的波长。通过λ和声波的频率f即可算出声速0c：0c=λf。用相位法测量时，在示波器的xy方式下观察反射波和接收波的李萨如图形，调节小车位置，观察到一斜线，再慢慢向一个方向移动小车，观察到同一方向的斜线时，记下距离差，此距离差即声波波长λ，已知声波频率f即可算出声速0c=λf