声学多普勒测速仪终版.pptx
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第5章声学多普勒测速技术-PPT精品
误差应为
当采用詹纳斯配置时，两个波束独立测量频率。
x' x12 x22 2 2NCcos dvx 22
2020/2/11
例如，当N=32，cosα＝0.5，要求测速误差为
dvx 0.1m/s，允许的一个周期内的相对时间测量
误差为
x2 2N0.50.10.003 1500
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。
vt2 / 2 vT
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
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5.2 舰船多普勒测速原理
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有限波束宽度的影响
波束宽度 －－多普勒频移扩展
fd 2xTf2cvx fTcos
fd
2vx C
fTsin
1 2
3dB
相对频移扩展为 fd tan
减小有限波束宽度影f响d 的方法
α
多次独立测量求平均；测量M次，平均后误差可降低 1 倍。 M
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。
电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关 计程仪。
2
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5.1 引言
多普勒现象
目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况 多普勒速度解算公式
舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿
物理人教版(2019)选择性必修第一册3.5多普勒效应(共19张ppt)
声波频率：
观察者静 止
7个/10s
f收=f源 音调不变
逆着波传 播方向
声波频率：
f收>f源 音调升高
顺着波传 播方向
声波频率：
f收<f源 音调降低
新知教学：多普勒效应
1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁 道旁散步时就注意到了类似现象。他经过认真的研 究，发现波源与观察者相互靠近或者相互远离时， 接收到的波的频率都会发生变化。人们把这种现象 叫作多普勒效应。
新知教学：多普勒效应课后习题
2、火车上有一个声源发出频率一定的乐音．当火车静止、观察 者也静止时，观察者听到并记住了这个乐音的音调．以下情况 中，观察者听到这个乐音的音调比原来降低的是( BD ) A. 观察者静止，火车向他驶来
B. 观察者静止，火车离他驶去
C. 火车静止，观察者乘汽车向着火车运动
多普勒效应是波的特有现象
牛刀小试：多普勒效应课后习题
1、为了理解多普勒效应，可以设想一个抛球的游戏（如图）。 设想甲每隔1s向乙抛一个球，如果甲、乙都站着不动，乙每隔 1s接到一个球。如果甲抛球时仍然站着不动，而乙以一定速度 向甲运动，这时乙接球的时间间隔是否还是1s？如果乙靠向甲 的速度增大，乙接球的时间间隔是否会有变化？
波靠源近与观察观者察者相互静止靠近
波远源离与观察观者察者相互静止远离
频率的关系
=
>
<
f源
>
<
新知教学：多普勒效应的成因 波源与观察者相互靠近 f收>f源 音调升高 波源与观察者相互远离 f收<f源 音调降低
声源的频率没有变化，而是观察者接收到的频率发生了变化。
思考与讨论
固定在振动片上的金属丝周期性触动水面可以形成水波。当振 动片在水面上移动时拍得一幅照片，显示出此时波的图样。由 照片是否可知，振动片正在向哪个方向移动？单位时间内是水 波槽左边接收完全波个数多还是右边接收完全波个数多？
多普勒测声速
四实验内容和步骤
4、数据记录与处理
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12
V f
V c0
c0
五 报告要求
1.数据记录 2.数据处理与误差分析 3. 实验结论与总结 思考题
1.火车进站和出站时，坐在火车上的 乘客能感受到汽笛的音调发生变化吗？ 为什么？ 2.分析压电陶瓷换能器的工作原理
四 实验内容和步骤
4、数据记录与处理
L1 L2 L3 L4 L5 L6
L7 L8 L9 L10 L11 L12
V f
V c0
c0
四 实验内容和步骤
c0 ： c0
驻波法测量
实验步骤： 1、按照多普勒法实验步骤进行操作，使调谐成功。 2、切换到“多普勒效应实验”画面进行实验，关闭导轨电源。 3、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，此距离差为声 速的半个波长λ /2，通过声波的波长λ 和频率f即可算出声速 。记录下幅度为最大时的距离Li-1，再向前或者向后（必须是 一个方向）通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动， 当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。即可 求得声波波λ i=2│Li-Li-1│。
二实验原理
驻波法测量原理
三 实验仪器
（1）主测试仪面板图 （2）智能运动控制面板图
三实验仪器
正负电极片
后盖反射板 压电陶瓷片
辐射头
超声波产生：逆压电效应 超声波接收：正压电效应
（3）线路连接示意图
三 实验仪器
注意：
1、使用时，应避免信号源的功率输出端短路。 2、注意仪器部件的正确安装、线路正确连接。 3、仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统，严禁运行过 程中人为阻碍小车的运动。 4、注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5、小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行，意外触发行程 开关后要先切断测试架上的电机开关，接着把小车移动到导轨 中央位置后再接通电机开关并且按一下复位键即可。
《多普勒效应》课件
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛应用。
详细描述
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛的应用。在声学领域，多普勒效应用于测量声音的方向和速 度；在雷达领域，多普勒效应用于测量目标的距离和速度；在通信领域，多普勒效应用于移动通信和卫星通信的 信号处理；在交通领域，多普勒效应用于车辆测速和道路监控等。
导航和定位领域的应用
多普勒效应在导航和定位领域也具有重要作用。未来将进一步拓展多普 勒效应在导航和定位领域的应用范围，以提高导航和定位的准确性和可 靠性。
地球科学领域的应用
多普勒效应在地球科学领域的应用前景也非常广阔。未来将进一步探索 多普勒效应在地球科学领域的应用，以推动地球科学的发展和进步。
THANKS
建立更精确的多普勒效应 模型
为了更好地解释实验现象和观测数据，未来 将建立更精确的多普勒效应模型，以提高理
论预测的准确性和可靠性。
多普勒效应的技术创新
要点一
开发高精度测量设备
随着多普勒效应在各个领域的广泛应用，对高精度测量设 备的需求越来越大。未来将致力于开发高精度、高稳定性 的测量设备，以提高多普勒效应的测量精度和可靠性。
实验验证的方法与步骤
实验验证方法：通过对比不同速度下 声波或光波的频率或波长变化，验证
多普勒效应的规律。
实验步骤
1. 确定声波或光波的初始频率或波长 。
2. 改变声源或光源的运动速度，观察 接收到的声波或光波信号的频率或波 长变化。
3. 记录不同速度下的频率或波长数据 ，并进行统计分析。
4. 根据统计分析结果，得出多普勒效 应的规律，验证多普勒效应的基本原 理。
多普勒效应的发现者
总结词
多普勒效应的发现者是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约 翰·多普勒。
详细描述
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛的应用。在声学领域，多普勒效应用于测量声音的方向和速 度；在雷达领域，多普勒效应用于测量目标的距离和速度；在通信领域，多普勒效应用于移动通信和卫星通信的 信号处理；在交通领域，多普勒效应用于车辆测速和道路监控等。
导航和定位领域的应用
多普勒效应在导航和定位领域也具有重要作用。未来将进一步拓展多普 勒效应在导航和定位领域的应用范围，以提高导航和定位的准确性和可 靠性。
地球科学领域的应用
多普勒效应在地球科学领域的应用前景也非常广阔。未来将进一步探索 多普勒效应在地球科学领域的应用，以推动地球科学的发展和进步。
THANKS
建立更精确的多普勒效应 模型
为了更好地解释实验现象和观测数据，未来 将建立更精确的多普勒效应模型，以提高理
论预测的准确性和可靠性。
多普勒效应的技术创新
要点一
开发高精度测量设备
随着多普勒效应在各个领域的广泛应用，对高精度测量设 备的需求越来越大。未来将致力于开发高精度、高稳定性 的测量设备，以提高多普勒效应的测量精度和可靠性。
实验验证的方法与步骤
实验验证方法：通过对比不同速度下 声波或光波的频率或波长变化，验证
多普勒效应的规律。
实验步骤
1. 确定声波或光波的初始频率或波长 。
2. 改变声源或光源的运动速度，观察 接收到的声波或光波信号的频率或波 长变化。
3. 记录不同速度下的频率或波长数据 ，并进行统计分析。
4. 根据统计分析结果，得出多普勒效 应的规律，验证多普勒效应的基本原 理。
多普勒效应的发现者
总结词
多普勒效应的发现者是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约 翰·多普勒。
声速测量PPT课件
05
声速测量的实际应用案例
水下声速测量在海洋探测中的应用
总结词
水下声速测量在海洋探测中具有重要意义，能够提供海洋环境参数、水下地形地貌、水下目标物等信 息。
详细描述
水下声速测量是通过声波在水中传播的速度进行测量，可以获取水深、水温、盐度、流速等海洋环境 参数，同时还可以探测水下地形地貌和目标物，如沉船、潜艇等。这些信息对于海洋科学研究、海洋 资源开发、海洋环境保护等方面具有重要意义。
分析实验结果，探究声速与介质、温度等因 素的关系。
数据处理
根据实验数据计算声速的平均值、标准差等 统计指标。
结论总结
根据实验结果得出结论，总结实验的意义和 价值。
04
声速测量中的误差分析
测量误差的来源
仪器误差
测量仪器本身存在的误差，如灵敏度、 分辨率等。
环境因素
如温度、湿度、气压等环境条件的变 化，可能影响声速的测量结果。
用于记录和处理实验数 据。
如水、玻璃板、橡皮泥 等，用于辅助实验操作。
选择一个相对安静、无 干扰的环境进行实验。
实验步骤与操作
安装设备
将声速测量仪的发射器和接收器分别固定在 两个相对的位置上，确保它们之间的距离可 调。
调试设备
调整发射器和接收器的角度和高度，确保信号 能够顺利传输。
开始测量
在电脑中打开声速测量软件，开始记录数据。
空气中声速测量在声音传播研究中的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
空气中声速测量在声音传播研究中具有重要价值，能够揭 示声音传播规律、声源特性以及声音控制技术。
空气中声速测量是通过测量声波在空气中的传播速度，可 以研究声音传播规律，如声波的干涉、衍射、散射等现象 。同时还可以研究声源特性，如声功率、声压级、频率特 性等。此外，空气中声速测量还可以应用于声音控制技术 ，如消音、隔音、声音定向传输等。这些研究对于声音环 境保护、声音信号处理、音频设备研发等方面具有重要意 义。
超声波声速的测量.pptx
第5页/共29页
3、声速测量的发展
二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学 仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动 态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。
过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表， 测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现 了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的 准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成 电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替 逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可 以用微计算机实时运算。
在标准状态下，0°C时，声速为 vo＝331.45m／s，
显然在 t°C时，干燥空气中声速的理论值应为
vt 331.45
273.15 t 273.15
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不 同的 。
第3页/共29页
声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决 于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振 动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此，根 据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
图形垂直调节
第24页/共29页
图形垂直调节
开关
“扫描信号周期” －“X-Y”档 CH1信号 振幅调节
示波器面板
触发MODE 选择AUTO
调节 “触发电平” 使信号波形稳定
CH2信号 振幅调节
INPUT输入 调至AC/DC
第25页/共29页
INPUT输入 调至AC/DC
信号发生器
开关
信号输出
频率微调
v RT
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，
μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度
第4页/共29页
2、声速测量的目的
3、声速测量的发展
二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学 仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动 态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。
过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表， 测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现 了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的 准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成 电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替 逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可 以用微计算机实时运算。
在标准状态下，0°C时，声速为 vo＝331.45m／s，
显然在 t°C时，干燥空气中声速的理论值应为
vt 331.45
273.15 t 273.15
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不 同的 。
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声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决 于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振 动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此，根 据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
图形垂直调节
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图形垂直调节
开关
“扫描信号周期” －“X-Y”档 CH1信号 振幅调节
示波器面板
触发MODE 选择AUTO
调节 “触发电平” 使信号波形稳定
CH2信号 振幅调节
INPUT输入 调至AC/DC
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INPUT输入 调至AC/DC
信号发生器
开关
信号输出
频率微调
v RT
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，
μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度
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2、声速测量的目的
物理活动PPT多普勒效应及应用
然后，微波从运动的汽车上被反射回去.
从监测器处所测得的反射波的频率为 ，即
[(c v)/(c v)]1/2
0[(c v)/(c v)]
所以，频率差为
0 2 (c v) 0 2v0 / c 如根据交通管理条例对汽车最高速率限 制为 vm ，那么拍频的最大值 m是：
m 2(vm / c) 0
应用之二：多普勒超声诊断
探头
皮肤
声靶
我们以心脏病中的二尖瓣狭窄为例，说明 其诊断原理.利用超声波的多普勒效应可以测定 血流的速度，如果发现明显的血流异常，则可 以诊断二尖瓣狭窄，确定异常血流的深度.
光也存在多普勒效应，但是涉及狭义相 对论的相对性原理和光速不变原理，较复杂. 在此我们仅作简单介绍.由相对论可得：
多普勒效应及应用
应用之一：多普勒声纳
舰艇、油轮、货船行驶在 浩瀚无垠的大海上，如何准确 的沿着既定的目标前进呢？
多普勒声纳可以提供这种 帮助.
多普勒声纳是根据多普勒 效应研制的一种利用水下声波 来测速和计程的精密仪器.
多普勒声纳原理简介
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，如图中 O 点. v)]1/2 波源朝着观测者运动，有
0[(c v)/(c v)]1/2 其中 v 为波源的速度
注意：以上两公式对电磁波同样适用。
应用之三：光谱线的红移——宇宙膨胀学说的理论基础 1848年，法国物理学家斐索指出，注意谱线的
位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果.因此， 人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应.
多 普 勒 斐 索 效 应
-
应用之四：监测车辆的速度 （电磁波的多普勒效应）
公路上用于监测车辆速度的监测器，由微 波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成.
多普勒效应及其应用ppt课件
音调。
究竟波源的频率和观测者接收到的频率关系如何？
实验探究
模拟多普勒效应
为了进一步理解多普勒效应，可
做这样一个模拟实验(图3-40):让一队
人沿街行走，当观察者站在街旁不动
时，每秒钟有三个人从他身边经过。
这种情况下，观察者接收到的
“频率”是每秒三人，如果观察者逆
着队伍前进方向行走，那么每秒内与
观察者相遇的人数就会增加，也就是
观察者静止
观察
者接
收频
率
大于
小于
大于
小于
波源
的频
率
想一想
只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就
大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？
不对，如果观察者绕着波源做圆周运动，虽然
两者间发生了相对运动，但观察者接收的频率
与波源发出的频率依然相等，并未发生多普勒
效应。
多普勒效应是观察者与波源间的相对距离发生变化时产生的。
观察者接收到的“频率”增大。
点击播放
视频
新课讲解
模拟多普勒效应
新课讲解
模拟多普勒效应
（1）观察者静止不动，数经过的队伍中
的人数，每分钟假设有30个人经过。
f′=f
（2）当观察者逆Βιβλιοθήκη 队伍行走时，数经过的队伍中的人数，每分钟将大于30个人经过
。
f′>f
（3）当观察者与队伍同向行走且速度比
队伍的小时，数经过的队伍中的人数，每
波源静止，当观察者靠
近波源时，观察者接收
到的频率增大，当观察
者远离波源时，观察者
观察者
接收
>
波源
究竟波源的频率和观测者接收到的频率关系如何？
实验探究
模拟多普勒效应
为了进一步理解多普勒效应，可
做这样一个模拟实验(图3-40):让一队
人沿街行走，当观察者站在街旁不动
时，每秒钟有三个人从他身边经过。
这种情况下，观察者接收到的
“频率”是每秒三人，如果观察者逆
着队伍前进方向行走，那么每秒内与
观察者相遇的人数就会增加，也就是
观察者静止
观察
者接
收频
率
大于
小于
大于
小于
波源
的频
率
想一想
只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就
大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？
不对，如果观察者绕着波源做圆周运动，虽然
两者间发生了相对运动，但观察者接收的频率
与波源发出的频率依然相等，并未发生多普勒
效应。
多普勒效应是观察者与波源间的相对距离发生变化时产生的。
观察者接收到的“频率”增大。
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新课讲解
模拟多普勒效应
新课讲解
模拟多普勒效应
（1）观察者静止不动，数经过的队伍中
的人数，每分钟假设有30个人经过。
f′=f
（2）当观察者逆Βιβλιοθήκη 队伍行走时，数经过的队伍中的人数，每分钟将大于30个人经过
。
f′>f
（3）当观察者与队伍同向行走且速度比
队伍的小时，数经过的队伍中的人数，每
波源静止，当观察者靠
近波源时，观察者接收
到的频率增大，当观察
者远离波源时，观察者
观察者
接收
>
波源
多普勒效应PPT课件
单位时间内观察者 数得的人数与实际通 过的人数相同。
静止不动
→ ←
单位时间内 观察者数得的 人数变多。
单位时间内 观察者数得的 人数变少。
练习
现象分析（以声波为例） （1）观察者接受到的波频率发生变化。 （2）波的频率由波源本身决定，波源 频率等于单位时间内波源发出的完全波 的个数（不变） 。
究竟运动和频率的关系如何？
波源的运动 观察者运动
情况
情况
频率的关系
★ 波源静止 观察者静止
等于
★
波源静止
观察者朝着 观 波源运动 察
大于
波
★
波源静止
观察者远离 者 波源运动 接
小于
源 的
★ ★
波源朝着观 察者运动
波源远离观 察者运动
观察者静止 观察者静止
收 频 率
大于 小于
频 率
多普勒效应中运动和频率的关系
注意：
多普勒效应是指所接收到的波的频率与波源频率不同的现象，并不是 接收到波的强度发生变化的现象；
在多普勒效应中，波源的频率是不改变的，只是由于波源和观察者之 间有相对运动，观察者感到频率发生了变化；
波的传播速度不因波源的移动而改变；
多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅机械波，电磁波和光波也会 发生多普勒效应；
观察者垂直于波的传播方向移动时，不产生多普勒效应。
☺ 猜一猜：我们听到的声音频率会和什么 有关？
1、波源的实际频率 2、声波传播的速度 3、波源的移动速度 4、接收者的移动速度
多普勒效应频率关系的计算
观察者与波源都静止 设波源的波长为λ，波的传播速度为v，则在时间t 内，观察者接 收到的完全波的个数为：
接收频率为：
声速的测定ppt课件
1 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
-40
-60
-40
-80
-60
干涉 发射 反射
干涉 发射 反射
结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为 2
实验方法 2．相位比较法
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化，示波器上
点位移为波节的地方，声压为波腹。
在作为反射面的刚性平面处，空气质点的位移恒为零，声压恒为波
腹，其振幅为
p(l) 0va
sin kl
实验方法
当l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且
p(l ) p(l)
2
根据p(l)随l周期变化的原理，可求出半波长
按实验原理图将仪器接好，调整信号发生器的频率f （约
T0
P 气的饱和蒸汽压
实验装置
实验方法
1．共振干涉法
图中S1和S2，为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源(发 射)，低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后，即 能发出一平面声波。S2作为超声波的接收头，接收的声压转 换成电信号后输入示波器观察，S2在接收超声波的同时还反 射一部分超声波。
实验方法
所观察到的李萨如图随之变化一个周期。
实验方法
同时将信号源发射端接入示波器的X轴、反射端接入示波器 的Y轴，示波器采用X-Y扫描、这时示波器将显示一椭圆或 直线。
当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发 射－接收的距离l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。
利用李萨如图形找出同相（Φ=0）或反相（Φ=）时椭圆退 化为右斜或左斜直线，调整接收器的位置，注意屏幕上出现 的椭圆相位（例如Φ=0或Φ=），继续移动接收换能器、直 到椭圆或直线的相位完全重复上述椭圆或直线的相位、这时 所移动距离恰好为一个波长，为使测量值更加准确，可多移 动几个波长。采用逐差法处理数据。
《超声声速仪测声速》课件
超声成像技术
利用超声波的反射和透射信号， 通过计算机图像处理技术，将声 信号转换为图像信号，实现介质 的可视化检测。
03
超声声速仪原理
声速的定义与测量方法
声速定义
声速是指声波在介质中传播的速度，单位为米/秒（ m/s）。
测量方法
通过测量声波在介质中的传播时间和距离，可以计算 出声速。
传统测量方法
《超声声速仪测声 速》ppt课件
目录
• 引言 • 超声波基础知识 • 超声声速仪原理 • 实验操作与数据处理 • 结果解读与误差分析 • 结论与展望
01
引言
主题介绍
超声声速仪测声速的定义
超声声速仪是一种用于测量声波在介质中传播速度的仪器。它利 用超声波在介质中的传播特性，通过测量超声波的传播时间和距
应用领域
超声声速仪的应用领域非常广泛，包括物理学、化学、 生物学、医学、工程学和环境科学等。例如，在物理学 中，通过测量声速可以研究物质的微观结构和介质的物 理性质；在化学中，可以用来研究化学反应过程中介质 的物性变化；在生物学中，可以用来研究生物组织的声 学特性；在医学中，可以用来进行超声成像和超声治疗 ；在工程学中，可以用来进行无损检测和质量控制；在 环境科学中，可以用来监测环境污染和评估环境质量。
02
超声波基础知识
超声波定义与特性
超声波定义
超声波是指频率高于20000赫兹的机 械波，具有波长短、频率高、穿透力 强等特点。
超声波特性
超声波在介质中传播时，具有方向性 好、能量集中、穿透力强等特性，能 够传播较远的距离。
超声波的产生与传播
超声波的产生
超声波通常由压电效应或电磁效应产 生，通过换能器将电信号转换为机械 振动，从而产生超声波。
多普勒效应-ppt课件
f测 < f源
我们可以这样理解声波的多普勒效应：当波源与观察者相对静止时，
1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的，观察者观测到的频率
等于波源的频率；当波源与观察者相互接近时，1s内通过观察者的波峰(
或密部)的数目增加，观察者观测到的频率增加；反之，当波源与观察
者相互远离时，观测到的频率变小。
一端，闭合开关后听一听它发出的声音。请一位
同学用竹竿把蜂鸣器举起并在头顶快速转动（图
3.5-1 ），在几米之外听它的声音有什么变化。
图3.5-1蜂鸣器音调的变化
多普勒效应
要了解多普勒效应，可以做如下的
模拟实验。让一队人沿路行走，观察
者站在路旁不动，假设每分钟有30个
人从他身边通过（图3.5-2甲），这种
情况下的“过人频率”是30人/分。如果
观察者逆着队伍行走，每分钟与观察
者相遇的人数增加，也就是频率增加
（图3.5-2乙）；反之，如果观察者顺
着队伍行走，频率降低。
甲
乙
丙
图3.5-2 多普勒效应的模拟实验
①观测者静止
v测 = 0
观察者静止不动，数经过的队伍中的人数，每分钟假设有30个
人经过。这种情况下的“过人频率”是30人每分。在这个模拟实
D、多普勒效应是由于波源与观察者之间有相对运动而产生的
课堂检测
【练习3】（多选）火车上有一个声源发出频率一定的乐音。当火车静
止时、观察者也静止时，观察者听到并记住了这个乐音的音调。以下
那种情况中，观察者听到这个乐音的音调比原来高（ AC ）
A、观察者静止，火车向他驶来
B、观察者静止，火车离他驶去
C、火车静止时，观察者乘汽车向着火车运动
我们可以这样理解声波的多普勒效应：当波源与观察者相对静止时，
1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的，观察者观测到的频率
等于波源的频率；当波源与观察者相互接近时，1s内通过观察者的波峰(
或密部)的数目增加，观察者观测到的频率增加；反之，当波源与观察
者相互远离时，观测到的频率变小。
一端，闭合开关后听一听它发出的声音。请一位
同学用竹竿把蜂鸣器举起并在头顶快速转动（图
3.5-1 ），在几米之外听它的声音有什么变化。
图3.5-1蜂鸣器音调的变化
多普勒效应
要了解多普勒效应，可以做如下的
模拟实验。让一队人沿路行走，观察
者站在路旁不动，假设每分钟有30个
人从他身边通过（图3.5-2甲），这种
情况下的“过人频率”是30人/分。如果
观察者逆着队伍行走，每分钟与观察
者相遇的人数增加，也就是频率增加
（图3.5-2乙）；反之，如果观察者顺
着队伍行走，频率降低。
甲
乙
丙
图3.5-2 多普勒效应的模拟实验
①观测者静止
v测 = 0
观察者静止不动，数经过的队伍中的人数，每分钟假设有30个
人经过。这种情况下的“过人频率”是30人每分。在这个模拟实
D、多普勒效应是由于波源与观察者之间有相对运动而产生的
课堂检测
【练习3】（多选）火车上有一个声源发出频率一定的乐音。当火车静
止时、观察者也静止时，观察者听到并记住了这个乐音的音调。以下
那种情况中，观察者听到这个乐音的音调比原来高（ AC ）
A、观察者静止，火车向他驶来
B、观察者静止，火车离他驶去
C、火车静止时，观察者乘汽车向着火车运动
75kHz声学多普勒流速剖面仪（ADCP）技术规格书20140322
75kHz声学多普勒流速剖⾯仪（ADCP）技术规格书2014032275kHz⾃容式声学多普勒流速剖⾯仪技术规格书中国科学院声学研究所2014年3⽉⽬录1 简介 (1)2 主要性能指标 (1)3 接⼝ (3)3.1 电⽓接⼝ (3)3.2 安装接⼝ (4)3.3 数据接⼝ (4)3.3.1 命令格式 (6)3.3.2 输出格式 (16)1 简介75kHz⾃容式声学多普勒流速剖⾯仪（Self-contained Acoustic Doppler Current Profilers，ADCP）采⽤多普勒原理测量其⾃⾝相对海流的运动速度，壳体为铝合⾦材料，整机耐压3000⽶，最⼤测流量程500⽶，⼴泛⽤于海洋流场长期定点观测，实物照⽚如图1所⽰。
图1 多普勒流速剖⾯仪照⽚2 主要性能指标（1）⼯作频率：75kHz（2）测速范围：±10m/s（3）准确度：±1%测量值±0.5cm/s（4）测流层数：1～128层；分层厚度：4，8，16，32m（5）测流最⼤作⽤距离：500m 1（6）数据接⼝：RS422；波特率：300⾄11520，缺省9600（7）内置压⼒、温度、⽅位和姿态传感器（8）数据内存容量：2GB（9）功耗：30V供电时，待机功耗⼩于20mW，低功率发射时功耗⼩于5W，⾼功率发射时功耗⼩于25W（10）电源：直流输⼊，24-50V；4个550WH电池组，开路电压40～42V （11）主机外径：φ561mm?1037mm（不包含插座⾼度），壳体材料：铝合⾦；相关尺⼨见图2（12）环境适应性：⼯作温度：-5?C--+45?C；储存温度（不含电池）：-30?C --+50?C （13）最⼤⼯作⽔深：3000m（14）重量：95kg（空⽓中）/约58kg（⽔中）注：1，流散射强度不低于-70dB条件下图2 3000⽶耐压75kHz⾃容式ADCP外形尺⼨3 接⼝3.1 电⽓接⼝在ADCP的上部有2个插座，分别为9芯的⼯作接⼝（采⽤Subconn公司MCLPBH9MSS型插座）和7芯⽹络测试接⼝（采⽤Subconn公司MCLPBH7MSS 型插座），信号定义见图1和表2；1）⼯作接⼝供电电压范围为电压范围为24～50V；数据通讯采⽤RS422形式，缺省通讯设置波特率为9600，1位停⽌位，⽆校验，ADCP通过RS422接⼝接收主控计算机的命令同时把测量数据发送给主控计算机，软件协议见3.3数据接⼝部分。
[资料]M9声学多普勒流剖面仪PPT课件
![[资料]M9声学多普勒流剖面仪PPT课件](https://img.taocdn.com/s3/m/e7f66dff2af90242a995e5ce.png)
SonTek 的GGA/VTG GPS 是采用 WAAS, SBASS, 或 EGNOSS 进行 差分修正
.
31
RTK GPS
RTK － 载波相位动态实时差分技术（Real time kinematic）
常规GPS测量：静态、快速静态、动态测量都需要事后进行解算才能获 得厘米级的精度
RTK只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则 流动站能够在野外实时得到厘米级定位精度
NMEA – National Marine Electronics Association 美国航海电子协会
.
30
NMEA-183 － 用于GPS 等通讯设备的通讯标准协议
GGA / VTG DGPS
GGA Global Positioning System Fix Data
GPS定位信息
VTG Track Made Good and Ground Speed 地面速度信息
RTK模式：基准站通过数据链将观测值和测站坐标信息传送给流动站
流动站接收来自基准站数据的同时，还采集GPS观测数据，在系统内组 成差分观测值进行实时处理，并给出厘米级定位结果，历时不到一秒钟
流动站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始 化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完 成周模糊度的搜索求解
准确度 分辨率 单元大小
±20 米/ 秒 0.06 ～ 5 米 ±0.25%；0.002 米/ 秒 0.001 米/ 秒 0.02 ～ 0.5 米 （最多 128个单元）
水深 测量范围 准确度 分辨率
0.2 ～ 15 米 1％ 0.001 米
流量 测量范围（底跟踪） （VTG/RTK GPS） 流量计算
多普勒超声课件
§三维立体重建
表面成像模式：通过三维立体数据库选择感兴 趣区域进行成像，非感兴趣区可以去除；采用 合适的滤过功能，可以滤过周围低回声，使图 像突出。
§例如去除羊水内的低回声，突出胎儿表面高回声， 滤过高时还可以突出胎儿骨骼结构，显示出高回 声结构的立体图像
§三维立体重建
透明成像模式：将实质性的组织结构的所 有三维回声数据进行处理，选择性地显示 出高回声或低回声结构的特征。能将组织 内部情况以透明立体方式表现出来。采用 这种模式要求感兴趣结构的回声特征较周 围组织回声高或低，例如骨骼、血管或囊 性结构。
1.工作原理
系统在接收到发射来的回声信号后，先进入相位检波器与 原始振荡信号进行相位比较，再将一路信号送入脉冲多普勒 信号处理通道；另一路则经过低通滤波器去除没有意义的杂 波信号。
1.工作原理
滤过后的信号经A/D模数转换后，再进行自相关处理。这 一步骤是将前后2个脉冲产生回声的时间差换算成相位差，再 根据相位差与目标运动状态的关系处理成血流方向和速度结果。
§D型超声成像诊断仪（Doppler Ultrasound, D超） 即超声多普勒诊断仪，是利用声学多普勒原理， 对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频 移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、 色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官 的运动状态。
• 发展的主要阶段 1. 连续波式多普勒系统(continuous wave doppler)
§ 以人体内血流的运动状态检测为例：
§ 声波的发射源与接收器均为超声探头自身，在检测时 刻探头是固定不动的。
§ 超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障
（红细胞）时，相对于流动中的红细胞，声波f已经产
生了一次多普勒频移（f′），频移量Δf′＝f′－f；而声障
表面成像模式：通过三维立体数据库选择感兴 趣区域进行成像，非感兴趣区可以去除；采用 合适的滤过功能，可以滤过周围低回声，使图 像突出。
§例如去除羊水内的低回声，突出胎儿表面高回声， 滤过高时还可以突出胎儿骨骼结构，显示出高回 声结构的立体图像
§三维立体重建
透明成像模式：将实质性的组织结构的所 有三维回声数据进行处理，选择性地显示 出高回声或低回声结构的特征。能将组织 内部情况以透明立体方式表现出来。采用 这种模式要求感兴趣结构的回声特征较周 围组织回声高或低，例如骨骼、血管或囊 性结构。
1.工作原理
系统在接收到发射来的回声信号后，先进入相位检波器与 原始振荡信号进行相位比较，再将一路信号送入脉冲多普勒 信号处理通道；另一路则经过低通滤波器去除没有意义的杂 波信号。
1.工作原理
滤过后的信号经A/D模数转换后，再进行自相关处理。这 一步骤是将前后2个脉冲产生回声的时间差换算成相位差，再 根据相位差与目标运动状态的关系处理成血流方向和速度结果。
§D型超声成像诊断仪（Doppler Ultrasound, D超） 即超声多普勒诊断仪，是利用声学多普勒原理， 对运动中的脏器和血液所反射回波的多普勒频 移信号进行检测并处理，转换成声音、波形、 色彩和辉度等信号，从而显示出人体内部器官 的运动状态。
• 发展的主要阶段 1. 连续波式多普勒系统(continuous wave doppler)
§ 以人体内血流的运动状态检测为例：
§ 声波的发射源与接收器均为超声探头自身，在检测时 刻探头是固定不动的。
§ 超声波向着流动中的红细胞集合体传播，遇到声障
（红细胞）时，相对于流动中的红细胞，声波f已经产
生了一次多普勒频移（f′），频移量Δf′＝f′－f；而声障
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ADV(Acoustic-Doppler Velocimeter)声学多 普勒流速仪：其主要组成即为量测探头;信号调 理;信号处理三部分。上图即为量测探头，信号 调理和信号处理是利用计算机进行的。
(a)量测探头由三个10MHz的接收探头和一个发射探头组成,三 个接收探头分布在发射探头轴线的周围,它们之间的夹角为120°, 接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为30°,采 样体位于探头下方5cm或10cm,这样可以基本上消除探头对水 流的干扰
2.ADV速度范围和信号强度: 在一般情况下，用户设定的速度范围应大于试验中出现的与 流动方向有关的最大流速。 信号强度是测量接受探头接受超声波信号强度的尺度，在 ADV中信号强度是用信号和噪音的比值，即信噪比SNR来衡量 的。信噪比主要可以检验水中是否存在足够的介质，如泥沙、微 粒等，来反射声波信号。如果水中粒子过少，返回的信号就会比 周围的噪音还要小，要是没有足够大的信号强度，ADV是不可 能进行精确测量的，所得的数据肯定和实际差别很大。
(b)信号调理器由检测微弱反射信号的模拟电路组成.
(c)数字信号处理由一个单独的电路板完成,主要针对输出频率为 25Hz的实时三维流速测量值的计算.
1. ADV的测量很重要参数是控制体距离发射探头约为5cm， 发射探头是一个圆柱体(体积0.08cm3)，由探头发射超声波，遇 到控制体后反射，并由接受探头接受反射的信号，因此，ADV 测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度。
声学多普勒流速仪的介绍
安徽工业大学冶金工程专业
汇报人：张玲颖
目录
一 二 三 四 五
ADV 声学多普勒流速仪
MicroADV超声测速仪基于多普勒效应(Doppler effect) 的理论。所谓多普勒效应是为纪念奥地利物理学家多普勒而 命名的，他于1842年首先提出了这一理论。
即:当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频 已发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远 离观察者时变低.
ADV显示界面
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ADV工作界面
最初是SonTek公司为美国陆军工程兵团水道实验室设计制 造的。
该流速仪运用多普勒原理，采用遥距测量的方式，对距离 探头一定距离的采样点进行测量。如今，ADV已成为水力及海 洋实验室的标准流速测量仪器。广泛应用于研究波浪轨迹、研 究水体运动轨迹、桥桩周围水流扰动的研究、水沙试验测试、 室内水力模型实验、野外测量( 沼泽地小流速的测量、黄石国家 公园热喷泉水的测量、水处理厂沉淀池中的测量)、水产养殖业 (水流扰动对渔业的影响)、水处理厂(用ADVOcean 测量水流的 流量)、测量沼泽地中的流速、ADV研究海浪、泥沙实验室等。