文档介绍：多普勒效应综合实验
【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、利用多普勒效应研究物体的简谐振动,测量简谐振动的周期等参数,并与理论值比较。
3、利用多普勒效应研究物体的水平阻尼振动。
【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) 23-(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) 23-(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,以光电门测量物体的运动速度,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) 23-(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,由微处理器按(3)式计算出接收器运动速度,由显示屏显示V-t关系图,或调阅有关测量数据,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。
【实验仪器】
整套仪器由实验仪,超声发射/接收器,导轨,运动小车,支架,光电门,电磁铁,弹簧,滑轮,砝码等组成。实验仪内置微处理器,带有液晶显示屏,图1为实验仪的面板图。
图23-(1) 实验仪面板图
实验仪采用菜单式操作,显示屏显示菜单及操作提示,由参数,按确认键后仪器执行。
键选择菜单或修改
竖直放置底座电磁铁运动小车超声接收器
光电门导轨超声发射器滑轮砝码
验证多普勒效应时,仪器的安装如图(2)所示。,两侧有安装槽,所有需固定的附件均安装在导轨上。
图23-(2) 多普勒效应验证实验及测量小车水平运动安装示意图
【实验内容】
1、实验仪的预调节
实验仪开机后,首先要求输入室温,这是因为计算物体运动速度时要代入声速,而声速是温度的函数。
第2个界面要求对超声发生器的驱动频率进行调谐。调谐时将所用的发射器与接收器接入实验仪,2者相向放置,用
键调节发生器驱动频率,并以接收器谐振电流达到最大作为谐振的判据。在超声应用中,需要将发生器与接收器的频率匹配,并将驱动频率调到谐振频率,才能有效的发射与接收超声波。
2、验证多普勒效应并由测量数据计算声速
将水平运动超声发射/接收器及光电门、电磁铁按实验仪上的标示接入实验仪。调谐后,在实验仪的工作模式选择界面中选择“多普勒效应验证实验”,按确认键后进入测量界面。用键输入测量次数6,用键选择“开始测试”,再次按确认键使电磁铁释放,光电门与接收器处于工作准备状态。
将仪器按图2安置好,当光电门处于工作准备状态而小车以不同速度(可用手推,以保v均匀变化, 以得好的线