實驗十二超聲波的多普勒效應(yīng)綜合實驗

1、實驗十二 超聲波的多普勒效應(yīng)綜合實驗當(dāng)波源和接收器之間有相對運動時，接收器接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。本現(xiàn)象是由奧地利物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家多普勒（J. C. Doppler）在1842年發(fā)現(xiàn)的。多普勒效應(yīng)在科學(xué)研究，工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等各方面都有十分廣泛的應(yīng)用。例如：原子，分子和離子由于熱運動使其發(fā)射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗嶒炑b置中，光譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態(tài)的重要測量和診斷手段?；诙嗥绽招?yīng)原理的雷達系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈，衛(wèi)星，車輛等運動目標(biāo)速度的檢測。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)

2、來檢查人體內(nèi)臟的活動情況，血液的流速等。電磁波（光波）與聲波（超聲波）的多普勒效應(yīng)原理是一致的。實驗?zāi)康臏y量超聲接收器運動速度與接收頻率之間的關(guān)系，驗證多普勒效應(yīng)并由f - V關(guān)系直線的斜率求聲速。實驗儀器多普勒效應(yīng)綜合實驗儀由實驗儀（見圖3-12-1）、超聲發(fā)射/接收器、紅外發(fā)射/接收器、導(dǎo)軌、運動小車、支架、光電門、電磁鐵、彈簧、滑輪、砝碼及電機控制器等組成。實驗儀內(nèi)置微處理器，帶液晶顯示屏。 速度控制器 超聲發(fā)射器 光電脈沖轉(zhuǎn)換器圖3-12-1 實驗儀及部分組件示意圖。1、實驗儀實驗儀采用菜單式操作，顯示屏顯示菜單及操作提示，由鍵選擇菜單或修改參數(shù)，按“確認”鍵后儀器執(zhí)行?？稍凇安樵儭表?/p>

3、面，查詢到在實驗時已保存的實驗數(shù)據(jù)。注意，儀器面板上兩個指示燈狀態(tài)，失鎖燈亮起時，表示頻率失鎖，接收信號較弱（超聲接收器電量不足），此時不能進行實驗，須對超聲接收器充電，直至該指示燈滅；充電指示燈為紅色時，表示已經(jīng)充滿或充電插頭未接觸，充電指示燈為黃色時，表示已經(jīng)充滿，充電指示燈為綠色時，表示正在充電。2、光電門介紹圖3-12-2 光電門測量運動物體速度的方法。在運動物體上有一個U型擋光片，當(dāng)它以速度V經(jīng)過光電門時，見圖3-12-2（a）所示，U型擋光片兩次切斷光電門的光線。設(shè)擋光片的擋光前沿間距為Dx，見圖12-2（b）所示，兩次切斷光線的時間間隔被光電計時器記下為Dt，則在此時間間隔中物體

4、運動的速度V的平均值為若擋光片的擋光前沿間距的Dx比較小，則此時速度的平均值就近似為即時速度V。3、電機控制器介紹表3-12-1 故障現(xiàn)象、原因及處理方法。故障現(xiàn)象故障原因處理方法小車未能啟動小車尾部磁鋼未處于電機控制器前端磁感應(yīng)范圍內(nèi)將小車移至電機控制器前端傳送帶未繃緊調(diào)節(jié)電機控制器的位置使傳送帶繃緊小車倒回后撞擊電機控制器傳送帶與滑輪之間有滑動調(diào)節(jié)電機控制器的位置使傳送帶繃緊5只LED燈閃爍電機控制器運轉(zhuǎn)受阻（如：傳送帶安裝過緊、外力阻礙小車運動），控制器進入保護狀態(tài)排除外在受阻因素，手動滑動小車到控制器位置，恢復(fù)正常使用電機控制器可手動控制小車變換5種速度，手動控制小車“啟動”，并自動控

5、制小車倒回。電機控制器上5只LED燈除了指示設(shè)定速度外，還可以反映小車運動中出現(xiàn)的故障，具體見表3-12-1。 實驗原理1. 超聲波的多普勒效應(yīng)圖3-12-3 超聲的多普勒效應(yīng)示意圖。根據(jù)聲波的多普勒效應(yīng)公式，當(dāng)聲源與接收器之間有相對運動時，接收器接收到的頻率f為： （3-12-1）始終f0為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，V1為接收器運動速率，1為聲源與接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，V2為聲源運動速率，2為聲源與接收器連線與聲源運動方向之間的夾角，如圖3-12-3中所示。若聲源保持不動，運動物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度V運動，則從（3-12-1）式可得接收器接收到的頻率應(yīng)為：

6、（3-12-2）當(dāng)接收器向著聲源運動時，V取正，反之取負。若f0保持不變，以光電門測量物體的運動速度，并由儀器對接收器接收到的頻率自動計數(shù)，根據(jù)（3-12-2）式，作f-V關(guān)系圖可直觀驗證多普勒效應(yīng)，且由實驗點作直線，其斜率應(yīng)為k= f0/u，由此可計算出聲速u= f0/k。在空氣中聲速的理論推算可按如下方法：設(shè)空氣為理想氣體，則聲速與溫度的關(guān)系為，其中為氣體比熱容比（空氣中1.4）,R為普適氣體常量8.31 Jmol-1K-1，M=2.89×10-2 Kgmol-1為常溫時空氣的摩爾質(zhì)量，T為絕對溫度，換算成攝氏溫標(biāo)t為T=（273+t）K。將以上數(shù)據(jù)帶入并簡化后可得常溫下聲速理論

7、值為： （3-12-3）另一方面，由（3-12-2）式可解出： （3-12-4）若已知聲速u及聲源頻率f0，通過設(shè)置使儀器以某種時間間隔對接收器接收到的頻率f采樣計數(shù)，由微處理器按（3-12-4）式計算出接收器運動速度，由顯示屏顯示V-t關(guān)系圖，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運動過程中的速度變化情況，進而對物體運動狀況及規(guī)律進行研究。2. 超聲波的紅外調(diào)制與接收本儀器采用超聲信號的調(diào)制-發(fā)射-接收-解調(diào)的傳輸方式，即用超聲發(fā)射器對超聲信號用紅外波進行調(diào)制后發(fā)射，固定在運動導(dǎo)軌一端的紅外接收端接收紅外信號后，再將超聲信號解調(diào)出來。由于紅外發(fā)射/接收的過程中信號的傳輸是光速，遠遠大于聲速，它引

8、起的多普勒效應(yīng)可忽略不計。實驗內(nèi)容與步驟1. 儀器安裝根據(jù)圖3-12-1所示，所有需固定的附件均安裝在導(dǎo)軌上，將小車置于導(dǎo)軌上，使其能沿導(dǎo)軌自由滑動，此時，水平超聲發(fā)射器、超聲接收器（以固定在小車上）、紅外接收器在同一軸線上。將組件電纜接入實驗儀的對應(yīng)接口上。安裝完畢后，電磁鐵組件放在軌道旁邊，通過連接線給小車上的傳感器充電，第一次充電時間約68秒，充滿后（儀器面板充電燈變黃色或紅色）可以持續(xù)使用45分鐘。充電完成后連接線從小車上取下，以免影響小車運動。2. 測量準(zhǔn)備實驗儀開機后，數(shù)顯要求輸入室溫t。因為計算物體運動速度時要代入聲速，而聲速是溫度的函數(shù)。利用鍵將室溫t值調(diào)到實際值，按“確認”。

9、然后儀器將進行自動檢測調(diào)諧頻率f0，約幾秒鐘后將自動得到調(diào)諧頻率，將此頻率f0記錄下來，按“確認”進行后面實驗。3. 測量步驟（1） 在液晶顯示屏上，選中“多普勒效應(yīng)驗證實驗”，并按“確認”；（2） 利用鍵修改測試總次數(shù)（選擇范圍510，因為有5中可變速度，一般選5次），按，選中“開始測試”；（3） 利用電機控制器上的“變速”按鈕選定一個速度。準(zhǔn)備好后，按“確認”，再按電機控制器上的“啟動”鍵，測試開始進行，儀器自動記錄小車通過光電門時的平均運動速度及與之對應(yīng)的平均接收頻率；（4） 每一次測試完成，都有“存入”或“重測”的提示，可根據(jù)實際情況選擇，“確認”后回到測試狀態(tài)，并顯示測試總次數(shù)及已完

10、成的測試次數(shù)；（5） 按電機控制器上的“變速”按鈕，重新選擇速度，重復(fù)步驟（3）、（4）；（6） 完成設(shè)定的測量次數(shù)后，儀器自動存儲數(shù)據(jù)，然后點擊“確認”，顯示f-V關(guān)系圖。利用按鍵依次記錄實驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)記錄及處理由f-V關(guān)系圖可看出，若測量點成直線，符合（3-12-4）式描述的規(guī)律，即直觀驗證了多普勒效應(yīng)。實驗中可選用i=5次，利用線性回歸方法確定直線系數(shù)，公式（3-12-5）為計算k值的公式， （3-12-5）由k計算聲速u，并與聲速的理論值比較。測量數(shù)據(jù)的記錄是儀器自動進行的。在測量完成后，只需在出現(xiàn)的顯示界面上，用鍵翻閱數(shù)據(jù)并記入表3-12-2中，然后按照上述公式計算出相關(guān)結(jié)果并填入表

11、格。表3-12-2 多普勒效應(yīng)的驗證與聲速的測量 t= °C, f0= Hz測量數(shù)據(jù)直線斜率k聲速測量值u=f0/k聲速理論值u0百分誤差(u-u0)/ u0次數(shù)i12345Vi (m/s)fi (Hz)注意事項1、 實驗前認真閱讀實驗講義，并按實際的環(huán)境溫度設(shè)定溫度。2、 無線接收-轉(zhuǎn)發(fā)器的放置方向要注意和滑軌兩端的超聲發(fā)射頭和紅外接收頭的位置對應(yīng)，不能放反。3、 在實驗過程中，每次實驗完成后小車應(yīng)該處于起始端，使其處于充電狀態(tài)。思考題光電門的工作原理及主要應(yīng)用？附錄根據(jù)波長聲波的分類，可聞聲波、次聲波、超聲波。1、 可聞聲波：人耳能聽到的聲波，其頻率范圍大致在20 Hz-2000

12、0 Hz之間，對應(yīng)波長范圍是17 m-17 mm。2、 次聲波：頻率低于20 Hz的聲波，不能引起人類聽覺器官的感覺。次聲波由于頻率小，故波長較長，易發(fā)生衍射，傳播距離較遠。通過次聲波探知幾千千米外的核武器試驗和導(dǎo)彈的發(fā)射或預(yù)報破壞性很大的海嘯、臺風(fēng)。次聲波對人體的影響：a、1-3 Hz：可以使人產(chǎn)生恐懼，地震前動物的不安，也是這個頻率的次聲波引起；b、3-6 Hz：能使人精神失常，失去理智；c、8-12 Hz：可以使人思維集中，增強記憶力；d、太強的次聲波將使人感到煩躁、耳鳴、頭痛、惡心和心悸，人的暈船和暈車就是由于機械振動、空氣和海浪摩擦發(fā)生的次聲波引起；特別強的次聲波還會使人四肢麻木、耳聾、鼻孔出血、內(nèi)臟破裂，直至死亡。3、 超聲波：頻率高于2