多普勒效应-实验报告

-1-大连理工大学大学物理实验报告院（系）材料学院专业材料物理班级0705姓名童凌炜学号200767025实验台号实验时间2009年03月30日，第六周，星期一第5-6节实验名称多普勒效应及声速的测试与应用教师评语实验目的与要求：1.加深对多普勒效应的了解2.测量空气中声音的传播速度及物体的运动速度主要仪器设备：DH-DPL多普勒效应及声速综合测试仪，示波器其中，DH-DPL多普勒效应及声速综合测试仪由实验仪、智能运动控制系统和测试架三个部份组成。实验原理和内容：1、声波的多普勒效应实际的声波传播多处于三维的状态下，先只考虑其中的一维（x方向）以简化其处理过程。设声源在原点，声源振动频率为f，接收点在x0，运动和传播都在x轴向上，则可以得到声源和接收点没有相对运动时的振动位移表达式：000cosxctpp，其中00xc为距离差引起的相位角的滞后项，0c为声速。然后分多种情况考虑多普勒效应的发生：1.1声源运动速度为SV，介质和接收点不动假设声源在移动时只发出一个脉冲波，在t时刻接收器收到该脉冲波，则可以算出从零时刻到声源发出该脉冲波时，声源移动的距离为)(0cxtVS，而该时刻声源和接收器的实际距离为)(00cxtVxxS,若令SM=SV/0c（声源运动的马赫数），声源向接收点运动时SV（或SM）成绩教师签字-2-为正，反之为负（以下各个马赫数的处理方法相同，均以相互靠近的运动时记为正）。则距离表达式变为)1/()(0SSMtVxx，代回到波函数的普适表达式中，得到变化的表达式：0001coscxtMppS可见接收器接收到的频率变为原来的SM11,即:SSMff1（声源运动）1.2根据同样的计算法，通过计算脉冲波发出时的实际位移并代换普适表达式中的初始位移量，便可以得到声源、介质不动，接收器运动速度为rV时，接收器接收到的频率为fcVfMfrrr)1()1(0（接收器运动）1.3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为fMMfsrrs11（声源，接收器都运动）1.4介质运动。同样介质的运动会改变声波从源向接收点传播的实际表观速度（真实声速并没有发生变化），导致计算收发声时的实时位移量变为tVxxm0，通过同样的计算法，可以得到此状态下接收器收到的频率为（以介质向接收器运动时，马赫数记为正）fMfmm)1(（介质运动）另外，当声源和介质以相同的速度和方向运动时，接收器收到的频率不变（从定性的分析即可得到这一点结论）。本实验重点研究第二种情况，即声源和介质不动，接收器运动。设接收器运动速度为rV，根据1.2式可知，改变rV就可得到不同的rf，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-3-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2.1超声波与压电陶瓷换能器频率高于20kHz的声波称为超声波，超声波的传播速度等于声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点，故实验中采用超声波来验证多普勒效应。本实验使用的压电陶瓷换能器为纵向换能器，即能够将轴向的机械振动转换为电压的变化并输出。右图为其结构示意简图2.2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。显然声波在介质中传播的速度V=L/t。测量过程中发射与接收端的显示波形如下：步骤与操作方法：1.时差法测声速1.1通过调节滚花帽，将接收换能器调到距发射换能器12cm处，记录接收换能器接收到的脉冲信号与原信号时间差。1.2将接收换能器分别调至12cm、13cm……19cm处，分别记录各位置时间差。（注意避开时间不稳定的区域，使用稳定的区域进行测量）2.多普勒法测声速瞬时法测声速2.1从主菜单进入多普勒效应实验2.2将接收换能器调到约75cm处，设置源频率使接收端的感应信号幅值最大（谐振状态）后盖反射板压电陶瓷片辐射头正负电极片-4-2.3返回多普勒效应菜单，点击瞬时测量。2.4按下智能运动控制系统的Set键，进入速度调节状态→按Up直至速度调节到0.450m/s2.5按Set键确认→再按Run/Stop键使接收换能器运动。2.6记录“测量频率”的值，按Dir改变运动方向，再次测量。3.反射法测声速用发射发测声速时，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，如左下图所示，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，记下此时示波器中选定的波头bn在时间轴上移动的时间△t，如右下图所示，从而得出声速值0c反射屏发射换能器接受换能器θθθL根据几何关系，可以得到声速的计算表达式为：sin20tLtxc多次测量后，与理论给出值比较：16.273145.3310tc（m/s），t为摄氏温标下的室温。4.利用已知声速测物体移动速度4.1从主菜单进入变速运动实验，将采样步距改为50ms。4.2长按智能运动控制系统的Set键，使其进入ACC1变速运动模式，再按Run/Stop键使接收换能器变速运动。4.3点击“开始测量”由系统记录接收到信号的频率（如半分钟后曲线仍未出现，则需重新调节谐振频率）。再按Run/Stop键停止变速运动。4.4点击“数据”记录实验数据。计算接收换能器的最大运行速度，画出相应vt曲线。bnbn-5-数据记录与处理：1.时差法测声速实验数据L(cm)12.0113.0014.0115.0016.0117.0018.0019.00t(μs)3103393683974304554855142.多普勒法侧声速实验数据f0=37340Hzf+=37390Hz,Vr+=+0.449m/s;f-=37291Hz,Vr-=-0.449m/s3.已知声速求运动物体速度实验数据n16111621263136f(Hz)3731837313373103731137314373183732837334n4146515661667176f(Hz)3734737352373623736737371373723736737363n81869196101106111116f(Hz)3735437349373363732737321373153731137309n121126131136141146151156f(Hz)3731337318373223733137342373543735937366n160f(Hz)37369而在160个完整的采样数据中，最大和最小频率分别为：fmax=37373Hzfmin=37309Hz-6-结果与分析：1.由时差法的测量数据，通过作图法计算声速：根据已知数据，作图如下：如图，取4个数据点，使用逐差法，取平均值得到直线的斜率为k=0.0342cm/μs故测得的声速为c0=342m/s2.多普勒法测声速已知，接收器向声源运动时，00)1(fcVfr，远离声源运动时，00)1(fcVfr，综合两式可以得到声速的计算公式为：00fffVVcrr代入已知数据，smfHzHzsmsmc/7002.3383729137390/449.0/449.000又已知相关的不确定度为Uf0=Uf+=Uf-=1Hz,Uvr+=Uvr-=0.002m/s-7-014629.022222220000rrvrvrfffcVVUUffUUfUcUUc0=4.9549=5m/s声速的最终结果形式为：smc/533803.由已知的声速测量物体（接收器）的运动速度根据第二种多普勒效应的频率变化公式，可以得到由变化后的频率计算运动速度的公式为：10/0/ffcVr，其中V为正表示接收器向声源移动，反之表示远离声源移动将采样数据的编号根据采样步长值改为采样时间t，在列出V-f的对应关系后，可以得到以下这张表现时间-频率-运动速度对应关系的t-f-V表：t(ms)02505007501000125015001750f(Hz)3731837313373103731137314373183732837334V(m/s)-0.19914-0.2444-0.27156-0.26251-0.23535-0.19914-0.10862-0.05431t(ms)20002250250027503000325035003750f(Hz)3734737352373623736737371373723736737363V(m/s)0.0633640.1086230.1991430.2444030.2806110.2896630.2444030.208195t(ms)40004250450047505000525055005750f(Hz)3735437349373363732737321373153731137309V(m/s)0.1267270.081468-0.03621-0.11768-0.17199-0.2263-0.26251-0.28061t(ms)60006250650067507000725075007750f(Hz)3731337318373223733137342373543735937366V(m/s)-0.2444-0.19914-0.16294-0.081470.0181040.1267270.1719870.235351t(ms)7900f(Hz)37369V(m/s)0.262507根据V-t的对应关系，可以画出两者的变化规律曲线。为保证曲线的准确性，以下使用Matlab6.5作为计算工具，通过傅里叶变换逼近，来得到函数图像。以下为计算过程的程序代码：以t为X变量，V为y变量，将数据输入程序中，x=[025050075010001250150017502000225025002750300032503500375040004250450047505000525055005750600062506500675070007250750077507900]y=[-0.19914301-0.244402785-0.27155865-0.262506695-0.23535083-0.19914301-0.10862346-8--0.054311730.0633636850.108623460.199143010.2444027850.2806106050.289662560.2444027850.2081949650.126727370.081467595-0.03620782-0.117675415-0.171987145-0.226298875-0.262506695-0.280610605-0.244402785-0.19914301-0.16293519-0.0814675950.018103910.126727370.1719871450.235350830.262506695]使用函数拟合工具箱CurveFittingTools，以Fourier模拟（工具箱不提供三角函数拟合）得到以下的函数曲线：可见图像明显地表达出了接收器的变速运动是水平简谐运动。另外根据完整采样数据中得到的f的最大和最小值fmax=37373Hz，fmin=37309Hz可以计算出接收器运动速度的最大和最小值分别为fmax=0.299m/s，fmin=-0.281m/s（数值最小），fmin’=0.010m/s（实际最小，但由于采样点不完全，该数据可能不准确）-9-讨论、建议与质疑：1.马赫是怎样定义的？马赫