文档介绍：多普勒效应实验及声速测定
(FB718A型智能多普勒效应实验仪)
实
验
讲
义
浙江大学物理实验中心
杭州精科仪器有限公司
多普勒效应实验及声速测定
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。
【实验目的】
了解声波的多普勒效应现象,掌握智能多普勒效应实验仪的应用。
测量超声接收器运动速度与接收频率的关系,验证多普勒效应。
观察物体不同类型的变速运动的规律。
掌握用时差法测量空气中声波的传播速度。
超声换能器特性测量。
【实验仪器】
智能多普勒效应实验仪由型实验仪、测试架组成。
实验仪由信号发生器和功率放大器、接收放大器、微处理器,液晶显示器等组成。
测试架由步进电机,电机控制模块,超声收、发射换能器,光电门、小车等组成(如图1所示)。
【实验原理】
:
设声源在原点,声源振动频率为,接收点运动和声波传播都在方向。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,在方向传播的声
波的数学表达式为:
(1)
(1)声源运动速度为,介质和接收点不动:
设声速为,在时刻,声源移动的距离为:
因而声源实际的距离为:
∴(2)
其中为声源运动的马赫数,声源向接收点运动时(或)为正,反之为负,将式2代入式1 :
可见接收器接收到的频率变为原来的, 即:
(3)
(2)声源、介质不动,接收器运动速度为,同理可得接收器接收到的频率:
(4)
其中为接收器运动的马赫数,接收点向着声源运动时(或)为正,反之为负。
(3)介质不动,声源运动速度为,接收器运动速度为,可得接收器接收到的频率:
(5)
(4)介质运动,设介质运动速度为, 得:
X = X0-Vm t
根据式1可得:
∴(6)
其中为介质运动的马赫数。介质向着接收点运动时(或)为正,反之(或)为负。可见若声源和接收器不动,则接收器接收到的频率:
fm=(1+Mm)f (7)
还可看出,若声源和介质一起运动,则频率不变。
为了简单起见,本实验只研究第2种情况:声源、介质不动,接收器运动速度为Vr。据4式可知,改变Vr就可得到不同的fr,从而验证了多普勒效应。另外,若已知Vr、f,并测出fr,则可算出声速u,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。
:(驻波法、相位法在此忽略)
(1) 超声波与压电陶瓷换能器:
在弹性介质中传播的机械振动为声波,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20KHZ~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。声速教学实验中大多数采用纵向换能器。图2是纵向换能器的结构简图。
(2)时差法(脉冲波)测量声速的原理:
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,到达距离L处的接收换能器。由运动定律可知,声波在介质中传播的速度可由以下公式求出:V=L/t 。
通过测量发射、接收换能器端面之间距离L和时间t,就可以计算出声波在当前介质中的传播速度。
声速理论值:
(8)
其中为室温,单位为
【实验内容与步骤】
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认真阅读附录:智能多普勒效应实验仪操作指南,熟悉仪器性能,掌握仪器使用方法。
超声换能器频率特性测量,找寻探头的谐振频率。
测量超声接收换能器的运动速度与接收频率的关系,验证多普勒效应。
用步进电机控制超声接收换能器的运动速度,通过测频求出空气中的声速。
将超声换能器作为速度传感器,用于研究匀速直线运动,匀加(减)速直线运动,简谐运动等。
单探头测量物体距离。
在直射式和反射式两种情况下,用时差法测量空气中的声速。
*若另配示波器,可用“驻波法”和“相位法”测量声速(仪器有收、发波形输岀口),可参阅相关资料进行。
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(1) 把型智能多普勒效应实验仪、测试架用专用连接线连接起来。先打开工作电源,液晶屏显示主菜单:
仪器预热1