多普勒效应与声速的测定

合集下载

@实验3.6 应用多普勒效应测量声速(luo)

@实验3.6 应用多普勒效应测量声速(luo)

(初始); = 5, t = 250 … t = 0; n
11
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
超声波发生器(固定)
超声波接收器(运动体) 滚花螺帽 光电门 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. 2. 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; 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; 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。 记录该调谐好的谐振频率f0.
110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 5500 5750 6000 6250 6500 6750 7000 7250 7500 7750步距)。例如: = 1, n t 运动速度v的算式:v = c0 [( f / f 0 ) − 1]
3. 4.
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.
记录该谐 振频率f0, 按确认键 9 返回。
数据测量及记录
一.瞬时法(瞬时多普勒效应法)测声速
瞬时测量法—测量接收器通过光电门时的平均频率及平均速度。
n t (ms) f (Hz) v (m/s) n t (ms) f (Hz) v (m/s) n t (ms) f (Hz) v(m/s)

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。

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。

【大学物理实验】 多普勒效应 实验报告

【大学物理实验】 多普勒效应 实验报告

, 其中 x 0 为距离差引起的相位角的滞后项, c 0 为声速。
c0
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 V S ,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V S (t x c0 ) , 而该时刻声源和接收器的实际距离为
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)
p
p 0 cos
1 M
S
t
x0 c0
可见接收器接收到的频率变为原来的 1 , 即:
1 MS
f fS
1 M S
(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 V r 时, 接收器接收到的频率为
f r (1 M r ) f (1 V r ) f c
0
(接收器运动)
1.3 介质不动,声源运动速度为 V S ,接收器运动速度为 V r ,可得接收器接收到的频率为
f rs 1 M r f 1 M s
(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 x x 0 V m t , 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) f m (1 M m ) f (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)。

多普勒效应实验报告

多普勒效应实验报告

多普勒效应实验报告一、实验目的1、观察并验证多普勒效应现象。

2、测量声速,并通过多普勒效应计算声源的运动速度。

3、深入理解多普勒效应的原理及其在实际生活中的应用。

二、实验原理多普勒效应是指当波源与观察者之间存在相对运动时,观察者接收到的波的频率会发生变化。

对于声波来说,如果声源向着观察者运动,观察者接收到的频率会升高;如果声源远离观察者运动,观察者接收到的频率会降低。

设声源的频率为 f₀,声速为 v,观察者相对于介质的速度为 v₀(靠近声源为正,远离声源为负),声源相对于介质的速度为 vs(靠近观察者为正,远离观察者为负),则观察者接收到的频率 f 为:当声源运动,观察者静止时:f = f₀×(v + v₀) /(v vs)当观察者运动,声源静止时:f = f₀×(v + v₀) / v当声源和观察者都运动时:f = f₀×(v + v₀) /(v vs)三、实验仪器1、信号发生器:用于产生稳定的音频信号。

2、扬声器:作为声源。

3、麦克风:用于接收声音信号。

4、数据采集卡:将麦克风接收到的模拟信号转换为数字信号,并传输给计算机。

5、计算机:用于控制实验、采集数据和进行数据分析。

四、实验步骤1、连接实验仪器将信号发生器的输出连接到扬声器,以提供声源信号。

将麦克风连接到数据采集卡的输入端口。

将数据采集卡插入计算机的 PCI 插槽,并安装驱动程序和相关软件。

2、软件设置打开计算机上的实验控制软件,设置采样频率、通道选择等参数。

选择合适的显示方式,以便观察和分析采集到的数据。

3、测量声速在实验环境中,让扬声器和麦克风保持固定距离。

信号发生器产生一个已知频率 f₀的正弦波信号,通过扬声器发出声音。

麦克风接收声音信号,并通过数据采集卡传输到计算机。

测量声音信号从扬声器发出到麦克风接收的时间差 t。

根据声速公式 v = d / t(其中 d 为扬声器和麦克风之间的距离),计算出声速 v。

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。

实验九多普勒效应及声速综合实验

实验九多普勒效应及声速综合实验

实验九 多普勒效应及声速综合实验对于机械波、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。

一.实验目的1、 掌握和理解多普勒效应2、 掌握利用多普勒效应测量声速的原理和方法二.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:⎪⎪⎭⎫⎝⎛-=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)(00x 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: SS M ff -=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 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 rrs -+=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 c V M =为介质运动的马赫数。

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。

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。

多普勒实验报告

多普勒实验报告

多普勒效应实验讲义草稿一、实验目的:1、测量超声接收器运动速度与接收频率之间的关系,验证多普勒效应,并由f-V关系直线的斜率求声速。

2、利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度或者利用光电门测量物体经过的时间,通过L-t关系图、V-t关系图,即可得出物体在运动过程中的速度变化情况,可研究:a.匀加速直线运动。

d.其它变速直线运动。

二、实验仪器:多普勒效应综合实验仪。

三、实验原理: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f为:f = f0(u+V1cosα1)/(u–V2cosα2)(1)式中f0为声源发射频率,u为声速,V1为接收器运动速率,α1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,V2为声源运动速率,α2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)式可得接收器接收到的频率应为:f = f0(1+V/u)(2)当接收器向着声源运动时,V取正,反之取负。

若f0保持不变,接收器的运动速度由电机控制,并由仪器对接收器接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,且由实验点作直线,其斜率应为 k=f0/u ,由此可计算出声速 u=f0/k 。

由(2)式可解出:V = u(f/f0–1)(3)若已知声速u及声源频率f0 ,通过设置使仪器以某种时间间隔对接收器接收到的频率f 采样计数,由(3)式计算出接收器运动速度,通过查询有关测量数据,即可得出物体在运动过程中的速度变化情况,进而对物体运动状况及规律进行研究。

五、实验内容及步骤:(一)实验仪的预调节实验仪开机后,要求对信号发生器的输出频率进行调谐。

调谐时将所用的发射换能器器连接到信号输出,接收换能器连接到放大器输入。

将信号发生器的输出幅度调节到最大,将放大增益也调节到最大,将放大器输出接到示波器。

调节信号发生器的输出频率,观察示波器上显示的幅度,以接收到的信号幅度最大点处频率最大作为谐振的判据。

多普勒声速实验-实验报告

多普勒声速实验-实验报告

多普勒声速实验--实验报告DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验实验报告一:实验目的多普勒效应是一种与波动紧密相关的物理现象.利用多普勒效应可以测量运动物体的速度,但目前许多高校使用的多普勒效应实验仪集成化和智能化程度太高,实验时需要学生动手操作的环节太少;信号的转换、传输和处理过程不透明,不利于学生在实验过程中细致观察各种物理现象,分析测量误差的来源等,难以满足深入培养学生自主动手能力和观察分析能力的需要.本实验以商用超声多普勒实验系统(杭州大华DH -DPL1)的导轨模块作为开发平台,以模拟乘法器作为测量系统的核心单元;实验过程中学生需自行搭建信号拾取和处理电路,并利用示波器观察各个环节的信号波形,有助于培养学生得动手能力,并加深对多普勒效应及对模拟电子实验的理解。

二:实验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,接收器收到的信号频率f为:f = f0 (u + v1 cosα1 ) / (u - v2 cosα2 ) (1)式中f0为声源发射频率, u为声速, v1 为接收器运动速率, v2 为声源运动速率,α1 是声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,α2 是声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角.在实验过程中,声源保持不动,接收换能器在导轨上沿声源与接收换能器连线方向上运动,则从式(1)可以得到接收换能器上得到的信号频率为:f = f0 (1 + v/u) (2)式中v为接收换能器的运动速度,当向着声源运动时, v取正,反之取负.利用式(2)可以得到接收换能器的运动速度为:v = u(f - f0 ) /f0 = uΔf/f0 ………..(3) 式中Δf = f - f0为多普勒频移.在本研究中,采用的信号处理电路如图1所示,其中模拟乘法器采用了AD633,其信号的输入输出关系为:W =(x1 - x2 ) (y1 - y2 )/10+ z (4)若输入到AD633的信号为x1 = E1 cos(2πf0 t +φ1 ) , y1 = E2 cos(2πft +φ2 ) , x2、y2 以及z均接地,则AD633的输出为:W =E1 E2{cos[2π(f + f0 ) t +φ2 +φ1 ] /20+cos[2π(f - f0 ) t +φ2 -φ1 ]} (5)其中包含了两路信号的和频分量与差频分量. 利用低通滤波器可以提取出其中的差频分量,即多普勒频移,从而计算出接收换能器的运动速度.在实际测量过程中,由于接收换能器与声源(发射换能器)的距离在不断变化过程中,因此接收换能器输出信号的幅度不是恒定值. 为了保证乘法器的输出信号幅度稳定,本研究中采用OA1组成的限幅放大电路,使输入到乘法器的信号幅度保持恒定值,以便于观察.因为本实验中只关心输出信号的频率,因此对接收换能器输出信号幅度的处理不会影响到实验结果.利用OA2构建的有源低通滤波器,可以有效提取出多普勒频移信号.三:实验仪器本研究所使用的机械平台是杭州大华出品的DH-DPL1多普勒效应实验仪的导轨. 在该装置中,超声发射换能器固定于导轨一端,接收换能器则安装在由步进电机控制的小车上,可以在接收与发射换能器连线方向上做匀速直线运动,运动速度最高可达47 cm /s. 在靠近导轨两端处有限位开关,用于防止小车运动时出现过冲. 在导轨中段则有一光电门,可用于检测固定在小车上的U型挡光片的速度,从而与利用超声多普勒方法测到的小车运动速度比对,验证多普勒效应的公式. 本设计方案中使用的主要观察和测量工具是数字存储示波器. 使用这种示波器的主要原因是因为在实验过程中,小车的运动距离及时间有限,必须在其运动过程中及时将有关的信号波形储存,以便进行分析计算.本实验中采用了Tektronix m TDS1002B数字示波器,而超声发射换能器的激励信号则来自Agilentm 33220A数字信号发生器.四:试验内容及操作步骤1,按图示电路图连接电路,将示波器调至正常工作状态;2,检查电路,接通电源,调节输入信号的频率,使发射信号与接收信号发生谐振,记录此时的信号频率,约为37kHz;3,调节小车的速度,使小车在轨道上运动,用数字采集卡记录输出信号的波形;4,在电脑上处理信号,读出多普勒频移Δf及小车经过光电门挡板时的时间t1和t2;5,对原始数据进行列表,分别利用多普勒公式和光电门实验计算小车的速度,进行比较,验证声波的多普勒公式。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。

多普勒效应的验证与声速的测定
一,实验目的
掌握利用超声的多普勒效应测量声速的原理与方法。

二,实验原理
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f 为:
01122(cos )(cos )
f u v f u v +α=
-α (1) 式子中, 0f 为声源发射频率,u 声速,1v 为接收器的运动速度,1α为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,2v 为生源的运动速度,2α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:
0(1)v f f u
=+ (2)
当接收器向着声源运动时,v 取正,反之取负。

若0f 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0/k f u =,由此可以计算出声速0/u f 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 f 0=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
室温为26.5C ︒
用origin8.0处理数据如下,并画出f-v 图像。

声00/u f k =速:00/u f k ==39650/115.58m/s=343.03m/s
同时声速0u 也可以由1/20331(1/273)(/)u t m s =+算出,t 表示室温。

代入具体数值:
0u ’=331(1+26.5/273)1/2=346.69m/s
四,误差分析
(1)相对误差为:
η=
346.69−343.03346.69
×100%=1.05% (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。

39700
39720
39740
f (H z )
V (m/s)
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。

相关文档
最新文档