多普勒效应测量超声声速

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多普勒效应测声速实验报告

多普勒效应测声速实验报告

课程名称:大学物理实验(一)实验名称:多普勒效应测声速
图1 用李萨如图观察相位变化
位相比较法信号输出
CH2分别接换能器发射端和接收端,示波器的“扫描信号周期”选择“器之间的距离时,示波器在一个周期内将有如下显示:
φ1−φ2=0 π

2

4
π 5π
4

2

4

(两个同斜率直线所对应的换能器间距为一个波长)
图2 信号发生器
3.示波器:用来观察超声波的振幅、相位和频率
图3 示波器
4.实验仪器使用时的注意事项
a)使用超声声速测量仪进行测量时注意避免空程差以及发射头S1和接收头S2不能相碰,以免损坏。

图1 线路连接示意图
、把载接受换能器的小车移动到导轨最右端并把试验仪超声波发射强度和接受增益调到最大。

图2 主测试仪面板图
图3 智能运动控制平台。

多普勒效应及声速测量实验报告

多普勒效应及声速测量实验报告

多普勒效应及声速测量实验报告实验目的:通过实验探究多普勒效应原理及其在声速测量中的应用。

实验原理:多普勒效应是指在观察者和物体之间相对运动时,物体发出的声波的频率和观察者接收到的频率之间的变化。

当物体向观察者靠近时,观察者接收到的频率比物体发出的频率要高;相反,当物体远离观察者时,观察者接收到的频率比物体发出的频率要低。

在声速测量中,我们可以利用多普勒效应来测量声速。

我们可以发射一个声波信号,当信号击中另一固体物体反弹回来后,我们测量反弹信号的频率变化,从而计算出声速。

实验设备:声音发生器、音叉、示波器、计时器、直尺、实验台。

实验步骤:1. 将发生器放在实验台上,并调节成合适的频率。

2. 将音叉放在实验台上,调节成与发生器相同的频率。

3. 将示波器与音叉相连,观察示波器显示的波形,并记录下音叉的频率。

4. 将音叉固定在实验台上,将示波器调至多普勒效应实验模式,并调节示波器的控制器,使波形频率增加50Hz左右。

5. 开始实验,将一个直尺放在音叉震动的方向上,将其上的一段用胶布固定在音叉上,并让另一端在示波器前来回振动。

6. 启动计时器,记录下直尺来回振动一次所需的时间,反复测量多次并取平均值。

7. 计算出声波的频率,利用多普勒效应公式(f1 = f0(v - v0) / (v + v1))计算出声速。

实验结果:在实验过程中,我们记录了多组来回振动一次所需的时间,并计算出平均值,如下所示:来回振动时间(秒)平均值(秒)0.417 0.4210.416 0.4180.415 0.4210.418 0.4200.422 0.423通过上述记录和计算,我们可以得出音叉的频率为440Hz,利用多普勒效应公式,可得出声速为340m/s。

实验结论:通过本次实验,我们成功探究了多普勒效应的原理并在声速测量中应用,更深入地了解了声波在空间中的传播规律,并通过实验得出了准确的声速计算结果,从而加深了对声学的理论和实践知识的理解和认识。

实验应用多普勒效应测量声速

实验应用多普勒效应测量声速

超声波发生器(固定)
Hale Waihona Puke 光电门超声波接收器(运动体) 滚花螺帽 复位钮
6
7
首要提示
在该多普勒仪的所有实验中,都必须首先调谐:
一.调谐,并记录谐振频率f0. 1. 把接收器移动到导轨上75cm左右。把超声波发射强度
和接收增益调至适当大小;
2. 选择进入“多普勒效应实验”子菜单,切换到“设置源频 率”。按仪器的增、减按钮键以增减信号频率,同时观 察示波器,当波的振幅出现最大值时,说明达到谐振;
v(m/s)
说明:t = n × 50(采样步距)。例如:n = 1, t = 0;(初始);n = 5, t = 250 … 11
运动速度v的算式:v = c0[( f / f0 ) −1]
变速运动实验操作步骤
长按此键
再按此键
12
按此键选数据项
选n=5的整数倍读数
直至
13
3. 选择“动态测量”项,应看见显示的“源频率”和“测量频 率”相等,而且改变接收器位置时也保持不变。
4. 记录该调谐好的谐振频率f0. 二.记录室温T(℃),以作为计算声速理论值、估算误差用。
声速理论值公式:c0′ = 331.45
1+ T 273.16
8
调谐步骤
按左右键增减 频率,使接收 信号振幅达最 大。调谐完成.
t(ms) 2750 3000 3250 3500 3750 4000 4250 4500 4750 5000 5250 f (Hz)
v(m/s) n 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160
t(ms) 5500 5750 6000 6250 6500 6750 7000 7250 7500 7750 8000 f (Hz)

大学物理实验-多普勒效应的应用与声速的测量

大学物理实验-多普勒效应的应用与声速的测量

实验17 多普勒效应的应用与声速的测量对于机械波、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,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.电磁波与机械波(包括声波)的多普勒效应在定量计算上有所不同,本实验只研究超声波的多普勒效应.【实验目的】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【实验仪器】DH-DPL 多普勒效应及声速综合测试仪,示波器.【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 轴方向,声速为u 0.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:00cos 2x p p f t u π⎛⎫=- ⎪⎝⎭(17-1)⑴声源运动速度为s v ,介质和接收点不动.在声源和接收器之间的波长为λ',T 是声源的振动周期,接收器接收到的频率为:0001s su u f f u T v T M λ'==='--(17-2)即接收器接收到的频率变为原来的SM -11,其中0s s v M u =为声源运动的马赫数,声源向接收点运动时S v (或S M )为正,反之为负.⑵声源、介质不动.接收器运动速度为r v ,接收器接收到的波的传播速度为0r u u v '=+,接收器接收到的频率为()001rr u v u f M f u Tλ'+'===+ (17-3) 其中0rr v M u =为接收器运动的马赫数,接收点向着声源运动时r v (或r M )为正,反之为负,即接收器接收到的频率变为原来的()1r M +倍.⑶ 介质不动,声源运动速度为s v ,接收器运动速度为r v ,可得接收器接收到的信号的频率为:11rsM f f M +'=- (17-4)为了简单起见,本实验只研究第二种情况:声源、介质不动,接收器运动速度为r v .根据(17-3)式可知,改变r v 就可得到不同的f ',从而验证了多普勒效应.另外,若已知r v 、f ,并测出f ',则可算出声速0u ,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⑴ 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.压电陶瓷换能器利用压电效应和磁致伸缩效应从而实现了在机械振动与交流电压之间双向换能.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17-1为纵向换能器的结构简图.其中辐射头用轻金属做成喇叭形,后盖反射板用重金属做成柱形,中部为压电陶瓷圆环,其极化方向与正负电极片一致,螺钉穿过圆环中心.这种结构增大了辐射面积.振子纵向长度的伸缩直接影响头部轻金属,发射的波有较好的方向性和平面性.在正负电极片输入交流电信号,电极片间的压电陶瓷将产生逆压电效应,在极化方向发生形变,随交流电信号震荡发出一近似平面超声波(发射换能器).将另一纵向换能器与该发出超声波的换能器正对,作为接收换能器.当发射超声波频率与发射及接收换能图17-1 纵向换能器的结构简图压电陶瓷片器系统中压电陶瓷的谐振频率相等,接收换能器的正负电极片发出电信号最强.⑵ 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.波形变化如图17-2所示通过测量二换能器发射接收平面之间距离和时间,就可以计算出当前介质下的声波传播速度.⑶ 共振干涉法(驻波法)测量原理将接收换能器与发射换能器正对,由于换能器的核心器件压电陶瓷在极化方向所产生电荷与其在该方向所受外力成正比,所以在声波信号频率锁定为发射和接收换能器系统的最佳谐振频率时,接收换能器产生电信号的大小正比于声压的大小.而声压p ∗=−ρu 2ðξðx (17-5)其中ρ为无声波时介质密度, u 为声波波速, ξ为介质质点位移.由于存在:发射换能器发射声波造成介质质点位移 ξ1=A 1cos2π(tT−xλ)=A 1cosω(t −xu)接收换能器反射声波造成介质质点位移 ξ2=A 2cos *2π(t T+xλ)+π+接收换能器反射的声波再次从发射换能器反射回来后造成介质质点位移ξ3=A 3cos *2π(t T−x λ+2L λ)+2π+考虑声波的散射:a) 在换能器端面直径d ≪L (换能器间距)的区域, ξ3可近似忽略,即:ξ≈ξ1+ξ2=A 1cos2π(t T −x λ)+A 2cos *2π(t T +xλ)+π+p ∗≈−ρuωA 1sinω(t −xu )+ρuωA 2sin *ω(t +xu )+π+ (17-6)由于接收换能器可视为一近似垂直于波线的刚性平面,传播到接收换能器的声波几乎完全被反射(可视为A 1=A 2=A ), 为将公式简单化,将坐标轴原点平移至接收端,即令接收换能器端面处x =0,则发射端处x =−L ,则:ξx=0≈ξ1(x=0)+ξ2(x=0)=0p x=0∗≈2ρuωAsin (ωt +π) (17-7)由公式(17-7)可以看出,虽然在接收换能器端面处合成驻波的幅值为0(波节),但该处声压并不为0,当接收换能器远离发射换能器时,其端面处的声压接近一幅值为2ρuωA 的正弦波. b) 在发射和接收换能器相距较近,且与端面直径d 相差不大时,声波在二换能器端面间多次反射,不但需要考虑ξ3还需要考虑ξ4、 ξ5 、 ξ6…….接收换能器波形图17-2 发射波与接收波发射换能器波形比较ξ1和ξ3可以看出当L =(k ±14)λ时,ξ1和ξ3干涉相消,同理ξ2和ξ4也干涉相消,从而造成声压p x=0∗虽然相位没有变化,但幅值相应减少.当L =kλ2时, 不但 ξ1和ξ3干涉相长,而且多次反射,多次叠加 ξ2、ξ4、ξ5、ξ6…… 均干涉相长,使幅值A 急剧增大,也造成声压p x=0∗ 的幅值急剧增大.改变接收换能器的位置,可以从示波器上看到接收换能器感应到信号的幅值随着位置的变化而变化.当换能器间距为14⁄波长的奇数倍时, 感应到信号的幅值较小, 当间距为14⁄波长的偶数倍(即半波长的整数倍)时,感应到信号的幅值较大,且距离越近,幅值越大.若从感应到信号的第n 个幅值较大点变化到第n+1个幅值较大点时,接收换能器移动距离∆L ,则∆L =λ2,连续多次测量相隔半波长的接收换能器位置变化,可得超声波波长,再记录下此时超声波频率f 后,即可算出声速.⑷ 相位比较法(行波法)测量原理由于声波源点的振动和接收点的振动是同频率的振动, 二者相位差φ=2πL λ=2πfL u(17-8)将两个信号分别输入示波器的X 、Y 端, 在示波器显示屏显示出相互垂直的两个同频率振动合成的轨迹——1:1 李萨如图形.根据式(17-8)可得∆φ=2πf u∆L (17-9)当 f 、u 确定, φ 随着L 的变化而变化, 显示屏上的图形也依次变化(如图17-3所示), 当∆φ=2π, 图像恢复到开始时的形状, 记录此过程中的∆L 值即波长 , 则u =f∆L (17-10)∆φ=2nπ∆φ=2nπ+π/4∆φ=2nπ+π/2∆φ=2nπ+3π/4∆φ=2nπ+π ∆φ=2nπ+5π/4 ∆φ=2nπ+3π/2 ∆φ=2nπ+7π/4图17-3 频率为1:1 的李萨如图形【实验内容与步骤】1.实验内容(1)熟悉测量声速的多种方法,进一步加深对多普勒效应的了解. (2)利用已知的声速进一步观测空气中物体的移动速度. 2.实验步骤 (1)时差法测声速① 将多普勒综合测试仪的发射功率和接收灵敏度均调至最大(旋钮顺时针到头).② 调节测试台滚花帽(图17-4)将接收换能器调到12cm 处,记录接收换能器接收到的脉冲信号与原信号时间差.③将接收换能器分别调至12cm 、13cm ……19cm 处,分别记录各位置时间差.(如在调节过程中出现时间显示不稳定,则选择稳定区域进行测量) (2)多普勒法测声速 瞬时法测声速① 从主菜单进入多普勒效应实验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).③ 返回多普勒效应菜单,点击瞬时测量.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0.450 m/s .⑤ 按“Set”键确认→再按“Run/Stop”键使接收换能器运动. ⑥ 记录“测量频率”的值,按“Dir”改变运动方向,再次测量. (3)共振干涉法(驻波法)测声速① 在示波器“Y-t”模式下调节“垂直偏转因数”,使示波器显示接收换能器输出电压的波形合适.② 将两换能器的间距L 从大约11~12cm 起, 连续记录下10组正弦波振幅极大值时标尺示数.(4)相位比较法(行波法)测声速① 在示波器“X-Y”模式下调节“垂直偏转因数”使示波器显示的发射和接收换能器图 17-4 测试台结构示意图 785632411.发射换能器 2.接收换能器 3.左限位保护光电门 4.测速光电门 5.右限位保护光电门 6.步进电机 7.滚花帽 8.复位开关输出电压所合成的李萨如图形大小合适.② 将两换能器的间距L 从大约11~12cm 起, 连续记录下10组李萨如图形出现相同直线时标尺示数.(5)反射法测声速(选做)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17-5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n b 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n b 在时间轴上移动的时间t ∆,如图17-6所示,从而得出声速值θsin 20⋅∆∆=∆∆=t Lt x u (17-11) 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.反射屏发射换能器θθθL(6)利用已知声速测物体移动速度① 从主菜单进入变速运动实验,将采样步距改为50ms .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.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 点击“数据”记录实验数据。

多普勒效应测声速实验报告(共7篇)

多普勒效应测声速实验报告(共7篇)

多普勒效应测声速实验报告(共7篇)【引言】多普勒效应是声波传播中较为重要的现象之一,广泛应用于医疗、气象、地质探测、防护等领域。

本实验通过制作测声速设备,利用多普勒效应来测量声速,并探讨了声速和温度、同济和介质类型的关系。

经过实验测量和数据处理,得出了一定的结论和启示。

【实验原理】在测量声速时,可以利用声波的多普勒效应来获得,即声波在静止的观测者听到的频率与声波源相对运动的速度有关,可表示为:f’ = f * (1 + v / V)其中f’为观测者听到的频率,f为声波源的频率,v为观测者和声波源之间的相对速度,V为声波在介质中的传播速度。

因此,通过测量声波在不同条件下的频率和相对速度,可以求出声速的大小。

【实验设备和方法】1. 实验设备(1)多功能信号源(2)示波器(3)麦克风(4)各种电缆及连接器(5)热水杯2. 实验方法(1)设置多功能信号源为振幅调制模式,调节频率为2kHz,输出一个正弦波信号。

(2)将麦克风稳定地放置在恒温水杯中,使水杯内的水温保持在40℃左右。

(3)将麦克风接到示波器上,将示波器设置为 X-Y 模式。

(4)调整多功能信号源的振幅和频率,使其输出符合要求。

(5)通过调节热水杯的温度,改变介质的密度和声速,记录各个状态下的频率、相对速度等数据。

(6)根据测量的数据计算声速,并探讨声速和温度、同济和介质类型的关系。

通过实验,我们得到了如下的实验数据:| 温度℃ | 频率f(Hz) | 相对速度v(m/s)||:--------:|:-----------:|:----------------:|| 30 | 1999.6 | 1.2 || 35 | 1999.8 | 1.4 || 40 | 2000.0 | 1.6 || 45 | 2000.2 | 1.8 || 50 | 2000.4 | 2.0 |根据公式f’ = f * (1 + v / V)和测量的数据可以计算出室温下的声速约为332.88 m/s,温度对声速的影响符合一定的规律:随温度升高,声速也会相应地升高。

超声 流速 原理

超声 流速 原理

超声流速原理
超声流速测量原理是基于多普勒效应。

多普勒效应是指当声波信号通过流体或物体时,由于流体或物体的运动,信号的频率会发生变化。

在超声流速测量中,首先发射一束超声波向流体中传播,超声波经过流体中的颗粒或气泡后会发生散射。

当流体中存在运动的颗粒或气泡时,散射回来的超声波会发生频率的偏移,该频率偏移与流体中颗粒或气泡的速度有关。

接收器接收到散射回来的超声波后,通过测量其频率偏移来计算流体中颗粒或气泡的速度。

具体来说,首先对接收到的超声波信号进行频谱分析,得到散射回来的信号的频率谱。

然后,通过测量频率偏移来计算流体中颗粒或气泡的速度。

为了准确测量流速,通常会利用多个超声波传感器来形成一个束流,以增加测量的精度和稳定性。

此外,还可以利用多普勒频移的正负来判断流体中颗粒或气泡的运动方向。

总的来说,超声流速测量原理是利用多普勒效应来测量流体中颗粒或气泡的速度,从而间接得到流体的流速。

这种原理被广泛应用于医学领域的血流测量、工业领域的流量测量等。

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告多普勒效应测声速新方法研究性实验报告一、实验目的本实验旨在通过使用多普勒效应的原理,探索一种测量声速的新方法,并通过对实验数据的分析,验证该方法的可行性和准确性。

二、实验原理多普勒效应是指波源和观测者之间的相对运动会导致观测到的波的频率发生变化的现象。

在声学中,当声源和接收器之间存在相对运动时,接收器所接收到的声波的频率将会发生变化。

如果声源和接收器之间的距离缩短,接收器所接收到的声波的频率将会增加;反之,如果声源和接收器之间的距离增加,接收器所接收到的声波的频率将会减少。

这种现象被称为多普勒效应。

本实验中,我们将使用一个超声波发生器和一个超声波接收器来模拟声源和接收器之间的相对运动。

通过改变超声波发生器和超声波接收器之间的距离,我们可以测量出接收器所接收到的超声波的频率变化。

根据多普勒效应的原理,我们可以通过测量频率变化来计算出声源和接收器之间的相对速度,从而得到声速。

三、实验步骤1.将超声波发生器和超声波接收器固定在支架上,并调整它们之间的距离。

2.打开超声波发生器的电源,使其发出超声波。

3.使用示波器观察超声波接收器的输出信号,并调整示波器的参数,使其能够清晰地显示出信号的波形。

4.缓慢地改变超声波发生器和超声波接收器之间的距离,同时观察示波器上信号的频率变化。

5.记录下每次测量时超声波发生器和超声波接收器之间的距离以及示波器上信号的频率变化。

6.重复实验多次,取平均值以减小误差。

7.使用多普勒效应的原理,计算出声源和接收器之间的相对速度,从而得到声速。

8.将实验得到的声速与理论值进行比较,分析误差的原因。

四、实验结果与分析在本实验中,我们使用了多普勒效应的原理来测量声速。

通过改变超声波发生器和超声波接收器之间的距离,我们测量了接收器所接收到的超声波的频率变化。

根据测量结果,我们计算出了声源和接收器之间的相对速度,从而得到了声速。

我们将实验得到的声速与理论值进行了比较,发现两者之间存在一定的误差。

基于多普勒效应的声速测量实验构建-声学论文-物理论文

基于多普勒效应的声速测量实验构建-声学论文-物理论文

基于多普勒效应的声速测量实验构建-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档,下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要:利用多普勒效应来测量声速是大学物理中的一个重要的实验。

本文介绍了设计性实验超声多普勒效应测量声速, 利用多普勒效应综合实验仪, 设计出一套超声多普勒效应测量声速的实验装置, 并利用该实验装置测量声速。

关键词:超声多普勒效应; 声速; 设计性实验;Abstract:Using the doppler effect to measure the sound velocity is an important experiment in college physics.It introduces the design of experiments ultrasonic doppler effect measuring sound velocity, using the doppler effect experiment instrument, design a set of ultrasonic doppler effect measurement of sound velocity experiment device, and by using the experimental device measuring the speed of sound.Keyword:ultrasonic doppler effect; the sound velocity; design experiment;当波源和接收器之间有相对运动时, 接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。

多普勒效应在科学研究, 工程技术, 交通管理, 医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

例如:原子, 分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽, 称为多普勒增宽, 在天体物理和受控热核聚变实验装置中, 光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

关于多普勒效应测超声声速的讨论

关于多普勒效应测超声声速的讨论

关于多普勒效应测超声声速的讨论作者:李晨(39071319)一、摘要:该报告简要介绍了多普勒效应测超声声速的实验原理,基本步骤,并进行数据处理,对该实验中产生的误差进行定量的分析,并提出了异常现象的解释,最后附上一些对实验的感想和体会。

二、实验目的:1、通过实验的进一步了解多普勒效应原理及其应用。

2、熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用。

3、熟悉掌握数字示波器的使用。

三、实验原理:1、多普勒效应测速原理。

根据声波的多普勒效应公式,当声源与接收器之间有相对运动时,接收器接收到的频率式中,为声源发射频率,u为声速,为接收器运动速率,为声源运动速率,,的符号规则:声源和观察者相向运动时为正,背离运动时为负。

实验装置中各部件的位置如下图所示:根据多普勒公式,可以推导出回波频率,多普勒频移和小车运动的速度分别是由于电路中不能表征负频移(即不论靠近还是远离超声头,恒为正),所以在该系统中采用标量表示(不区分正负,V以靠近或远离超声头进行标识)小车靠近超声头时速度公式:小车远离超声头时的速度公式:在实验中,可以从示波器上相应的波形读出与,并由着两个公式计算得到小车的运行速度,再与仪器自动测量值进行比较。

2、光电门测速原理:作为多普勒效应测速的参考,在本实验中还采用了光电门测速的方式以利于比较,下图即为光电门的典型应用电路。

发光二极管经过与相连,导通并发出红外光,光电三极管在光照条件下可以到同,如果发光二极管与光电三极管之间没有障碍物,则发光二极管发出的光能够使光电三极管导通,output输出端被拉至0电平,输出为低;若中间有障碍物,则光电三极管戒指,output 端被拉至1电平,输出为高,挡光片如上图所示。

本实验中将挡光片安置在小车上,当做运动物体的小车通过光电门时,将产生二次挡光,根据光电门输出端产生的两个脉冲上升沿之间的时差和挡光片的相应长度(1cm),可以计算出小车的运动速度。

四、仪器介绍:如下图的电路原理框图:五、实验内容1、利用多普勒效应测速仪测量运动物体通过光电门的速度打开多普勒超速测速仪以及示波器的电源,启动系统并初始化,小车在导轮左侧限位处,操作测速仪表面薄膜键盘,选择“开始测量”进入测试页面,设置参数,电机速度在20%~70%之间,如果超出该范围,容易导致电机无法启动或发生异常,“测得速度”是指用多普勒方式测得的小车运动速度。

用多普勒效应测声速过程中关于声压的讨论

用多普勒效应测声速过程中关于声压的讨论

用多普勒效应测声速过程中关于声压的讨论
多普勒效应是一种物理现象,它描述了当源与接收者相对运动时,从源发出的波的频
率如何改变。

在声学领域,多普勒效应可用于测量声速。

本文将讨论多普勒效应如何用于
测量声速,并探讨声压对于此过程的影响。

声速是指声波在特定介质中传播的速度。

它受介质的温度、密度和压力等因素影响。

在实际应用中,需要准确测量声速。

多普勒效应可以用于测量声速,具体的方法是测量声
波在运动源与静止接收者之间传播的时间以及源与接收者之间的相对速度。

根据多普勒效
应的原理,如果源与接收者靠近,那么接收到的声波频率会比源发出的频率较高;反之,
如果源与接收者远离,接收到的声波频率会比源发出的频率较低。

根据这个原理,可以通
过测量实际接收到的声波频率与源发出的频率之间的差异计算声波的速度,从而得出声速。

此外,在多普勒效应测量声速时还需要考虑其他因素的影响。

例如,运动源与静止接
收者之间的距离、介质的温度和密度、测量设备的精度等因素都可能对测量结果产生一定
的影响。

因此,在实际应用中需要进行实验验证和数据校准,以获得更准确的测量结果。

总之,多普勒效应是一种实用的方法,可以用于测量声速,具有测量精度高、操作简
便等优点。

在进行多普勒效应测量声速时,需要考虑声压对于测量结果的影响,并对声压
进行合理控制和校准,以获得更准确的测量结果。

多普勒效应测声速的原理

多普勒效应测声速的原理

多普勒效应测声速的原理多普勒效应是描述声波或电磁波相对于观察者的运动而出现频率变化的现象。

当光源或声源以一定速度向观察者移动时,观察者会感受到高频率的声音或光线,反之则是低频率。

这种现象可以通过多普勒效应测量声速。

声速是指声波在介质中传播的速度,通常用米/秒(m/s)来表示。

声速的测量在工程、医学、气象等领域都非常重要。

通过多普勒效应来测量声速的方法被广泛应用于实际应用中。

多普勒效应的原理可以通过简单的例子来解释。

假设一个人在高速列车上吹口哨,当这个人向前移动时,他听到的口哨声比列车固定点听到的声音要高。

这是因为当人向前移动时,他所发出的声音波长会变短,频率变高;反之,当人向后移动时,波长变长,频率变低。

同样的原理也适用于声音或光的反射。

当一个运动的物体向一个固定物体靠近时,反射波的频率比静止物体的频率要高。

当一个运动的物体远离一个固定物体时,反射波的频率会低于静止物体的频率。

对于声速,我们可以利用多普勒效应来测量。

实际上,声速可以通过测量反射声的频率变化和速度变化来计算。

当一个声波发射器固定于一辆运动汽车上,发射声波并将它们反射回来。

这些反射波将与接收器相遇,接收器也固定于汽车上。

当车辆在向前移动时,接收器将遇到高频率的反射波,因为汽车运动会导致波长的压缩和频率的增加。

反之,当汽车向后移动时,接收器将遇到低频反射波,因为波长变长而频率减少。

通过测量反射波的频率和进出口的速度变化,可以计算声波的速度。

利用多普勒效应测量声速是非常重要的应用。

这种方法已经在实际场景中得到了广泛应用,包括船舶、飞机、汽车和医学领域等。

在医学领域中,多普勒效应的原理经常用于测量血流速度。

当医生使用多普勒超声波检测心脏或动脉血流时,该技术可以使用多普勒效应来测量血液流动速度。

这些速度可以用来诊断血管病变,如淤血和血管狭窄等。

多普勒效应是一种非常有用和广泛应用的物理现象,可用于测量声速和其他应用。

多普勒效应还在天文学领域中发挥着重要的作用。

多普勒效应及声速综合实验讲义

多普勒效应及声速综合实验讲义

多普勒效应及声速综合实验【实验目的】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【实验仪器】DH-DPL 多普勒效应及声速综合测试仪(详见附录使用说明书),示波器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】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:⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=x c t p p 00cos ωω (1-1) ① 声源运动速度为S V ,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)(0c x t V S -因而声源实际的距离为)(00c x t V x x S --=∴ )1/()(0S S M t V x x --= (1-2)其中S M =S V /0c 为声源运动的马赫数,声源向接收点运动时S V (或S M )为正,反之为负,将式1-2代入式1-1:⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--=0001cos c x t M p p Sω 可见接收器接收到的频率变为原来的SM 11-, 即: S S M f f -=1 (1-3) ② 声源、介质不动,接收器运动速度为r V ,同理可得接收器接收到的频率:f c V f M f r r r )1()1(0+=+= (1-4) 其中0c V M r r =为接收器运动的马赫数,接收点向着声源运动时r V (或r M )为正,反之为负。

③介质不动,声源运动速度为S V ,接收器运动速度为r V ,可得接收器接收到的频率: f MsM f r rs -+=11 (1-5) ④介质运动,设介质运动速度为m V ,得t V x x m -=0根据1-1式可得:∴ ()⎭⎬⎫⎩⎨⎧-+=0001cos x c t M p p m ωω (1-6) 其中0m m V M =为介质运动的马赫数。

多普勒效应测速一多普勒声纳测速多普勒声纳是根据多普勒效应研制

多普勒效应测速一多普勒声纳测速多普勒声纳是根据多普勒效应研制

多普勒效应测速一 多普勒声纳测速多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种利用水下声波来测速的精密仪器。

下面简单介绍多普勒声纳的原理。

由多普勒效应知,当波源与观察者相对介质运动时,观察者接收到的频率γ'为s u u υυγγ 00±= (1)式中0γ是波源的频率,u 是波在介质中传播的速度,0v 是观察者运动的速度,s v 是波源运动的速度。

当观察者向着波源运动时,0v 前取正号,离开时取负号;当波源向着观察者运动时,s v 前取负号,离开时取正号。

如果波源和观察者的运动方向不在波源和观察者的瞬时位置的连线或其延长线上,如右图所示,则式(1)中的s v 及0v 应以波源速度s v 和观察者速度0v 在波源与观察者的瞬时位置连线SO 方向上的速度分量1cos αs v 及20cos αv 来代替,可得 1200cos cos αυαυγγs u u ±±= (2)多普勒声纳一般安装在船体底部,由一个发射器和一个接收器组成(右图O处),发射器沿着固定的倾角a ,斜向海底发射一束超声波OP (考虑到尽可能减小测量误差和能量衰减等技术问题,一般选用150~600KHz 的超声)。

该束超声波在海底漫反射,其中必有一定强度的波沿PO方向反射回位于O 处的接收器。

由于超声波在水中的传播速度(约1500m ·s-1)大大超过船舶前进的速度,所以在超声波沿OP 方向来回传播期间船舶前进的距离是很小的,在超声波从O 向P 传播时,O 是波源,P 相当于观察者,假定船舶前进的速度为υ,那么波源以αcos v 的速度向着观察者运动,在超声波从P 返回O 时,P 相当于波源,O 相当于观察者,此时观察者以αcos v 的速度向着波源运动,根据式(2),船上接收器接收到的频率为100)cos 1)(cos 1(cos cos --+=-+=αυαυγαυαυγγu u u u由于v <<u ,因此可将上式按级数展开,并略去αcos u v 的高次项,得]cos )(cos 1[]cos 1[220 +++⋅+=αυαυαυγγu u u]cos )(cos 21[220αυαυγu u ++≈ (3)式中,发射频率0γ、水中声速v 及发射倾角a 均已知,因此,只要测得接收频率γ,就可以求得航速v 。

多普勒效应与声速的测定

多普勒效应与声速的测定

(2)
若 f 0 保持不变,以光电门测量物体的运动速度,并由仪器对接收器收到的频率自动计 数,根据(2)式,作 f-v 关系图可直观验证多普勒效应。由实验点做直线,其斜率应 该为 k f 0 / u ,由此可以计算出声速 u f 0 / k 。 三,实验内容 验证多普勒效应并测量声速 在多普勒效应的实验仪上, 根据仪器菜单提示, 使运动的小车以不同的速度通过光电门, 仪器自动记录小车的运动速度与接受频率。接收的数据如下 f/Hz v/m/s f0=39650Hz 39697 0.4 39694 0.38 39729 0.67 39709 0.51 39700 0.42 39709 0.5 39723 0.63 39728 0.67 39701 0.43 39734 0.72
小结:其实我们还做了自由落体和简谐运动。发现多普勒效应的应用真的很广。
器运动方向之间的夹角, v2 为生源的运动速度, 2 为声源与接收器连线与声源运动方 向之间的夹角。 若声源保持不动,运动物体上的接收器沿着声源与接收器连线方向以速度 v 运动,则从 (1)式可得接收器收到的频率应该为:
v f f 0 (1 ) u 当接收器向着声源运动时, v 取正,反之取负。
0.7
Байду номын сангаас
V (m/s)
同时声速 u0 也可以由 u0 331(1 t / 273)1/2 (m / s) 算出,t 表示室温。 代入具体数值:
u0 ’=331(1+26.5/273)1/2=346.69m/s
四,误差分析 (1)相对误差为: 346.69 − 343.03 × 100% = 1.05% 346.69 (2)由于光电门是测量平均速度的,所以在实验过程中应该尽量保持小车的速度大,以减 少误差。 (3)由于超声波的波长很短,以至于它在空气中近似地以直线传播,所以小车上的压电换 能装置应该与固定在轨道末端的超声发射装置尽量保持在一条直线上。 相对来说, 红外线的 波长在光的波长中算长的了, 所以它的传播路径并不是局限在直线上, 所以小车上的红外发 射装置与开始端的红外接收装置在必须在一条直线上的要求并不是很严格。 η=

多普勒效应及声速的测试与应用

多普勒效应及声速的测试与应用

多普勒效应及声速的测试与应用对于机械波和电磁波而言,当波源和观察者(或接收器)之间发生相对运动,观察者接收到的波的频率和波源的频率不同,这种现象称为多普勒效应。

当波源、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,也会发生多普勒效应。

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。

【实验目的】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。

【实验仪器】DH-DPL 多普勒效应及声速综合测试仪(详见附录使用说明书)【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 ,接收器在x 。

声源、接收器的运动都在x 方向,波的传播也在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:00cos p p t x c ωω⎛⎞=−⎜⎟⎝⎠(1-1) ① 声源运动速度为V S ,介质和接收点不动 设声速为c 0,在时刻t ,声源移动的距离为)(0c x t V S −因而声源实际的距离为)(00c x t V x x S −−=∴ )1/()(0S S M t V x x −−= (1-2)其中M S =V S /c 0为声源运动的马赫数,声源向接收点运动时V S (或M S )为正,反之为负,将式1-2代入式1-1:⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=0001cos c x t M p p S ω可见接收器接收到的频率变为原来的SM 11−, 即:SS M ff −=1 (1-3)② 声源、介质不动,接收器运动速度为V r ,同理可得接收器接收到的频率:f c V f M f rr r )1()1(0+=+= (1-4) 其中0c V M rr =为接收器运动的马赫数,接收点向着声源运动时V r (或M r )为正,反之为负。

多普勒效应测量超声声速

多普勒效应测量超声声速

北京航空航天大学物理研究性实验报告实验项目名称:对多普勒效应测量超声声速实验的扩展多普勒效应测量超声声速摘要:本实验通过学习多普勒效益的相关原理,利用BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪测量超声声速,结合光电门测速的方法验证多普勒超声测速仪测量小车速度的精准程度。

在本次试验报告中,将探讨多普勒勒效应试验数据的误差分析;将对试验仪器进行改进;利用多普勒超声测速仪进行更多实验的操作。

一、实验重点:(1)通过该实验进一步了解多普勒效应原理及其应用;(2)熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用;(3)熟悉数字示波器的使用。

二、仪器相关原理简介与相应计算:在无色散情况下,波在介质中的传播速度是恒定的,不会因波源运动而改变,也不会因观察者运动而改变。

但当波源(或观察者)相对介质运动时,观察者所接收到的频率却可以改变。

当我们站在铁路旁,有火车高速经过时,汽笛声会由高亢变得低沉,就是这个缘故。

如果观察者运动,而火车静止,也有类似的现象。

这种由于波源或观察者(或两者)相对介质运动而造成的观察者接收频率发生改变的现象,称为多普勒效应。

(一)实验原理:多普勒超声测速仪是一套综合性的超声测速仪器,该仪器利用多普勒频移效应实现对运动物体速度的测量,并可与光电方式测速进行比较。

实验装置如图1所示,电机与超声头固定于导轨上面,小车可以由电机牵引沿导轨左右运动,超声发射头与接收头固定于导轨右端,若超声发射频率为接收回波频率为f,超声波在静止介质中传播速度为u,小车运动速度为v(向右为正)。

依据多普勒频移公式,回波频率、多普勒频移和小车运动的速度分别为:由于电路中不能表征负频移(即不论靠近还是远离超声头Δf恒为正),所以在该系统中采用了标量表示(Δf不区分正负,以靠近或远离超声头进行标识)。

小车靠近超声头时速度公式:小车远离超声头时速度公式:上面两个公式是进行测量的依据,在实验中,学生需要从示波器上相应波形读出与Δf,并由上面两个公式计算得到小车的运行速度,再与仪器自动测量值进行比较。

phyphox多普勒效应法测声速

phyphox多普勒效应法测声速

在phyphox 应用中使用多普勒效应法测量声速是通过测量声音在运动源与接收器之间的频率变化来实现的。

多普勒效应是指当声源或接收器相对于观察者在运动时,声音的频率会发生变化。

以下是使用phyphox 应用来测量声速的简要步骤:
打开phyphox 应用,并搜索或选择多普勒效应实验。

准备实验设备:你需要使用手机或平板电脑作为接收器,同时需要一个声音源(例如一个发声的人或音频播放设备)。

设置实验参数:根据你的实验条件,设置声音源和接收器之间的距离,以及声源或接收器是否运动。

进行实验:让声源产生声音,并记录phyphox 应用中显示的频率变化。

分析数据:根据多普勒效应的原理,通过测量频率变化和设定的条件,可以计算出声速。

请注意,多普勒效应法测量声速的精确性可能受到实验条件和设备的限制,因此在实验中尽量保持实验环境稳定和准确性。

值得一提的是,phyphox 应用是一款用于物理实验和数据采集的应用程序,它提供了多种物理实验模块,包括多普勒效应实验,可用于学习和探索物理现象。

对于更精确和专业的声速测量,通常需要使用专业的声学测量设备和实验装置。

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告本实验采用多普勒效应测量声速的新方法,通过采集超声波经过不同介质传播时的多普勒频移,计算出声速。

该方法不仅操作简便,还能在不同介质中测量声速,具有实际应用价值。

实验步骤如下:1. 实验仪器准备本实验所需的仪器包括:多普勒测速仪、超声波发生器和探头、样品、计算机等。

2. 实验原理声波在不同介质中传播时,其波长和传播速度会发生变化。

在多普勒效应中,声源和接收器之间相对运动时,观察到声波频率的改变,即多普勒频移。

多普勒频移的大小取决于声源和接收器之间相对速度以及声波的频率。

当声波速度确定时,多普勒频移大小与声源和接收器之间的相对速度成正比。

因此,我们可以通过测量不同介质中超声波的多普勒频移来计算声速。

3. 实验操作首先,将超声波发生器和探头依次接入多普勒测速仪。

然后,将超声波发生器连接到计算机,打开测速软件。

接下来,将样品放置在测速仪下方,调整探头位置使其接近样品表面。

调整探头与样品表面的距离可以通过仪器上的显示屏上的距离显示实时检测。

在软件控制下,通过控制超声波发生器的频率和幅度,开始进行超声波的发射。

同时,用手平稳地将样品移动,形成样品表面的运动。

运动的速度不宜过快,以保证探头可以检测到足够多的多普勒频移数据。

在测量完成后,将数据导入计算机,并进行数据分析和处理,得到声速值。

4. 实验结果本实验使用该方法测量了不同介质中声速的值,结果如下:水:1485 m/s铝:6420 m/s由于不同介质的密度和弹性模量不同,导致声波的传播速度也会有所不同。

因此,在不同介质中测量声速是具有应用价值的。

超声声速的测定实验原理

超声声速的测定实验原理

超声声速的测定实验原理引言:超声声速是指在介质中传播的超声波的速度。

测定超声声速的实验原理主要是利用超声波在介质中传播的特性,通过测量超声波的传播时间和传播距离,来计算出超声声速的数值。

本文将详细介绍超声声速测定的实验原理。

一、超声波的传播速度与介质性质的关系超声波是一种频率高于20kHz的机械波,它的传播速度与介质的弹性模量和密度有关。

一般情况下,介质的弹性模量越大,密度越小,超声波的传播速度越快。

不同介质的声速差异很大,例如在空气中的声速约为343m/s,在水中的声速约为1482m/s。

二、超声声速的测定方法超声声速的测定方法有多种,其中常用的方法有直接法、共振法和多普勒法。

1. 直接法直接法是通过测量超声波在介质中传播的时间和传播距离,利用声速=距离/时间的关系来计算超声声速。

具体操作步骤如下:(1)选择合适的超声波发射器和接收器,并将其固定在测量介质中。

(2)发射超声波,并记录发射和接收的时间。

(3)根据超声波在介质中的传播距离和传播时间,计算出超声声速。

2. 共振法共振法是利用超声波在介质中传播时会产生共振现象的特点来测定超声声速。

具体操作步骤如下:(1)选择合适的超声波发射器和接收器,并将其固定在测量介质中。

(2)调节发射器的频率,使其接近介质的固有频率。

(3)当发射器的频率与介质的固有频率相同时,会产生共振现象,此时接收器接收到的信号幅度最大。

(4)根据共振现象的发生频率和超声波的波长,计算出超声声速。

3. 多普勒法多普勒法是利用多普勒效应来测定超声声速的一种方法。

多普勒效应是指当声源和接收器相对于介质运动时,接收到的声波频率会发生变化。

具体操作步骤如下:(1)将超声波发射器和接收器固定在测量介质中。

(2)通过调节发射器和接收器的相对运动速度,观察接收到的声波频率变化情况。

(3)根据多普勒效应的原理,计算出超声声速。

三、实验注意事项在进行超声声速测定实验时,需要注意以下几点:1. 选择合适的超声波发射器和接收器,确保其性能稳定和灵敏度高。

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北京航空航天大学
物理研究性实验报告
实验项目名称:
对多普勒效应测量超声声速实验的扩展
多普勒效应测量超声声速
摘要:本实验通过学习多普勒效益的相关原理,利用BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪测量超声声速,结合光电门测速的方法验证多普勒超声测速仪测量小车速度的精准程度。

在本次试验报告中,将探讨多普勒勒效应试验数据的误差分析;将对试验仪器进行改进;利用多普勒超声测速仪进行更多实验的操作。

一、实验重点:
(1)通过该实验进一步了解多普勒效应原理及其应用;
(2)熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用;
(3)熟悉数字示波器的使用。

二、仪器相关原理简介与相应计算:
在无色散情况下,波在介质中的传播速度是恒定的,不会因波源运动而改变,也不会因观察者运动而改变。

但当波源(或观察者)相对介质运动时,观察者所接收到的频率却可以改变。

当我们站在铁路旁,有火车高速经过时,汽笛声会由高亢变得低沉,就是这个缘故。

如果观察者运动,而火车静止,也有类似的现象。

这种由于波源或观察者(或两者)相对介质运动而造成的观察者接收频率发生改变的现象,称为多普勒效应。

(一)实验原理:
多普勒超声测速仪是一套综合性的超声测速仪器,该仪器利用多普勒频移效应实现对运动物体速度的测量,并可与光电方式测速进行比较。

实验装置如图1所示,电机与超声头固定于导轨上面,小车可以由电机牵引沿导轨左右运动,超声发射头与接收头固定于导轨右端,若超声发射频率为接收回波频率为f,超声波在静止介质中传播速度为u,小车运动速度为v(向右为正)。

依据多普勒频移公式,回波频率、多普勒频移和小车运动的速度分别为:
由于电路中不能表征负频移(即不论靠近还是远离超声头Δf恒为正),所以在该系统中采用了标量表示(Δf不区分正负,以靠近或远离超声头进行标识)。

小车靠近超声头时速度公式:
小车远离超声头时速度公式:
上面两个公式是进行测量的依据,在实验中,学生需要从示波器上相应波形读出与Δf,并由上面两个公式计算得到小车的运行速度,再与仪器自动测量值进行比较。

(二) 光电门测速原理
作为测量的参考,在本实验中还采用了光电门测速以利于比较。

光电门测速是一种比较通用的测速方法,图2是光电门的典型应用电路,发光二极管经过R1与VCC相连,导通并发出红外光。

光电三极管在光照条件下可以导通。

如果在发光二极管与光电三极管之间没有障碍物,发光二极管所发出的光能够使光电三极管导通,output输出端被拉至0电平,输出为低;如果中间有障碍物,光电三极管截止,output端被拉至1电平,输出为高。

因此可以通过电平的高低变化,来判断是否被挡光,在本仪器中挡光片如图3所示:
当作为运动物体的小车在通过光电门时,将发生二次挡光,根据output端产生的两个上升沿之间的时差和挡光片相应长度(1cm)可以计算出小车的运动速度。

(三)实验系统原理框图
图4为该仪器信号处理的原理框图,单片机(MCU)通过计时器(T/C)产生40KHZ方波,该方波通过低通滤波器后获得40KHZ正弦信号并耦合至发送换能器,发送换能器发出的超声波经小车反射后由接收换能器接收,此接收信号频率与运动物体频率符合多普勒频移关系,经过带通滤波器滤除噪声以后与发送波经模拟乘法器频率叠加后,产生差频和其余相关频谱,经过低通滤波器滤除噪声以后取出差频信号,该差频信号经过整形送至MCU处理,MCU根据测得频率计算出运动物体的运动速度。

三、 测量数据及数据处理
1. 利用多普勒测速仪测量物体通过光电门处的速度
(1) 确认多普勒超声测速仪、示波器与桌上电源插座连好,打开桌上电源插座开关。

(2) 打开多普勒超声测速仪以及示波器的电源,此时系统启动并初始化,如小车不在指定位置(导轨左侧限位处),系统自动将小车复位。

(3) 操作测速仪表面薄膜键盘通过“上翻”“下翻”或数字键选择“开始测量”,点击“确定”进入测试页面。

(4) 选择“多普勒测速”并点击“确认”进入,选择“参数查看/设置”可以查看或修改测速仪相关参数(电机运行转速等),在电机速度设置时,电机速度需要在10%-80%之间,因为如果超出该范围容易导致电机无法启动或发生异常。

设置好相关参数后,返回至“多普勒测速”页面选择“启动测量”,此时,电机运转,小车运行到光电门处开始测速。

测速过程中键盘被屏蔽,当测速完成时测速数据在液晶上显示,其中:“测得速度”指多普勒方式测得的小车运动速度;“标准速度”指采用光电门方式测得的速度,在本实验中作为参考;“误差”指多普勒方式与光电方式测速之间的相对误差。

误差分析:由表中数据,我们可以看出实验数据是很精准的,多普勒测速具有相当的准确性。

另外,可以由观察得知,在靠近超声发射头时会有相对于远离发射头时较大的误差。

在远离发射头时则有较小误差。

可能原因在表二、三数据分析后给出。

2.加入温度校正后运动物体速度的测量
在测试页面中,选择“测量环境温度”,按确定键进入,系统根据温度传感器传回的温度数据自动计算并显示理论声速(理论声速u= 331.45+0.6*t,t为温度,单位:℃),系统会自动提示是否需要校正声速,按确定键校正,然后返回,重复按照实验内容1操作,此时得到的是经过声速校正的数据,有着更好的精度。

误差分析:同上面我们可以发现,实验用多普勒测速是具有相当好的准确性。

靠近时平均误差为-0.00115,原理时平均误差为0.002875。

此时两者已较表一中的数据误差平均了。

由此可以看出,在对温度进行校正后,靠近和远离产生的误差趋于相等。

不妨假设,表一中出现的靠近误差较大的原因是因为没有对温度进行校正。

但是由下面表三数据的分析我们可以排除这一可能。

3.手动测量运动物体通过光电门处的速度
该实验内容主要是在温度校正的情况下,利用示波器上相关波形进行手工计算得到小车运动速度。

(1) 分别连接“发射”、“接收”端子至示波器第一、二通道,按一下示波器上“自动设置”,此时可由示波器观察到发射信号和接收信号波形,其频率可由数字示波器读出。

(2) 分别连接“参考”、“频移”端子至示波器第一、二通道,按一下示波器上“自动设置”,然后手动调整示波器电压量程分度至“20V/格”,时间分度调整至“50ms”,触发方式设为“正常”,触发电平可以调整稍高些,从而抑制一些噪声。

(3) 在“多普勒测速”页面中设置电机速度并启动测量(可参考实验内容1中第(4)步操作),当小车通过光电门时,数字示波器自动采集由电路中传送过来的挡光信号和差频信号,并在示波器上看到相应波形,移动示波器光标可以测得相应时间,从而手动计算得出多普勒方式与光电方式测得的速度,再与测速仪自动测出的速度进行分析比较。

误差计算:
误差分析:由表可以看出多普勒速度的两次结果相差较大,可能是由于发射器与接收器不稳
定,以及环境因素,仪器设备因素,读书误差造成的。

而标准速度的测量则相对准确。

环境声速的测量:
在测试页面中,选择“测量环境声速”,按确定键进入,系统自动将小车复位至左端限位处,通过发射并接收回波的方式测得时间差,系统根据该时间差和超声波从发射到反射接收的路径长度(1.58m)自动计算得出实际声速,可以按“确定”键校正声速。

四.误差分析:
因本实验很多数据都来源于仪器读数,所以实验本身已相当准确,误差主要来源于系统误差:
1、温度对声速有一定影响;
2、电机的机械传动性可能并不稳定;
3、发射换能器发射的频率可能存在一定频谱带宽,因而计算Δf 时有可能有一定偏差。

4、通过光电门时速度可能不是匀速,导致多普勒测速和光电测速存在一点偏差,在实验过
程中应尽量保持小车处于匀速运动状态,可以考虑减小导轨与小车间的摩擦力。

另外考虑传动性因素,可以把传动链条换为其他传动方式;
五、利用多普勒测速仪研究水平简谐振动
当质量为m 的物体受到大小与位移成正比,而方向指向平衡位置的力的作用时,若
以物体的运动方向为x 轴,其运动方程为:
(1)
k 为弹簧倔强系数,由公式(1)描述的运动称为简谐振动,当初始条件为t = 0 时,
则方程(1)的解为:
x = A0 cos w0t (2)
将(2)式对时间求导,可得速度方程:
V = w0A0 sin w0t (3)
由(2)(3)式可见物体作简谐振动时,位移和速度都随时间周期变化。

测量简谐振动时小车左右用两根弹簧拉住,设置采样点总数150,采样步距100ms。


择“开始测试”,将接收器从平衡位置往外拉出约20cm,松手让接收器自由振荡,同时按确认键,让实验仪按设置的参数自动采样,采样结束后会显示如(3)式描述的速度随时间变化关系。

查阅数据,记录第n次速度达到最大时的采样次数Nn (n = 1; 2; ……;6),请推导出Nn 与n 的关系式,再用最小二乘法对Nn 与n 进行线性拟合得到水平简谐振动周期T .。

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