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1、第27卷第10期物理实验Vol.27No.102007年10月PHYSICSEXPERIMENTATIONOct.,2007摆动式声多普勒效应实验仪1,2111王本有,邹俊峰,王春余,张波(1.皖西学院计算机系,安徽六安237012;2.安徽大学电子科学与技术学院,安徽合肥230039)摘要:针对现有的声多普勒效应实验装置中存在的问题,设计并制作了摆动式声多普勒效应实验仪.该仪器能够分别进行声源运动和观察者运动的声多普勒效应实验,且可定量分析频偏和测量速度.本文详细介绍了该仪器的原理、构造、特点和实验过程,并对实验
2、结果进行了较为全面的分析.关键词:声多普勒效应;单片机;频偏中图分类号:O422.5文献标识码:A文章编号:100524642(2007)1020017204u+v1cosα11引言f=f0,u-v2cosα2由于波源或观测者的运动,造成观测频率和式中f0为声源发射频率,f为接收频率,u为声波源频率不同的现象,称为多普勒效应[1].在物速,v1为接收器运动速率,α1为声源和接收器连理实验中能够开展声多普勒效应的实验装置极为线与接收器运动方向之间的夹角,v2为声源运动缺乏,现有的导轨式实验仪是利用超声波验证多速率,α
3、2为声源和接收器连线与声源运动方向之普勒效应,装置复杂,操作繁琐.实验时要进行手间的夹角.本设计中发射器与接收器近似在一条工调谐,且要跟踪测试接收器谐振电流是否达到直线上运动,可推导如下(1)～(4)式.最大作为谐振判据;调换波源和观测者运动时要2.1声源不动,观察者运动重新固定、调整和更换信号线等,其发射器和接收声源不动,观察者相对于介质以速度v运动,器在同一直线上,容易产生驻波[1～2],造成误差,则靠近时的相对频偏为增大距离又会增加成本,同时波会产生较大的衰f-f0v=,(1)[2]f0u减;运动物体拉着信号
4、线前进,也会引起系统误远离时的相对频偏为差.笔者对此类实验仪进行了重新设计,并制作f-f0v出的声多普勒效应实验仪,它能分别进行声源运=-.(2)f0u[3～4]动和观察者运动的声多普勒效应实验(包括2.2观察者不动,声源运动靠近和远离2种情况),声源运动和观察者运动间观察者不动,声源相对于介质以速度v运动,的模式转换只需将换能器的连接线插入控制器相则靠近时的相对频偏为应端口,摆动过程换能器的小角度变化能有效防f-f0v止驻波干扰,且波的接收不受影响;信号线从摆杆=,(3)f0u-v中心穿过,对摆动无影响.实验模式
5、通过控制器远离时的相对频偏为面板上的菜单和键盘进行选择,操作便利,是一种f-f0v=-.(4)能验证多普勒效应,定量分析频偏和测速的实验f0u+v仪.2.3速度计算[3]利用数字温度计测得环境温度为t,声速2基本原理u=331.6+0.6t.运动换能器在X位置静止释[3～4]多普勒效应关系式为放,摆长为l,弧线AC为采样时间Δt内的运动轨收稿日期:2007206225作者简介:王本有(1970-),男,安徽六安人,安徽大学硕士生,皖西学院计算机系讲师,主要研究方向为单片机及其应用.18物理实验第27卷迹,因为lmΔ
6、d,其摆动角度小于0.1rad,弧线38kHz,频带较窄,具有一定的指向性和抗干扰AC近似为2Δd,误差很小,速度可近似为平均速性.通过调节2个换能器的位置与角度使接收换2Δd能器能可靠接收信号,即调整到在静止测量时发度,可由v≈…v=算出,运动过程如图1所式,Δt射和接收波的个数n,n′相等,即不会出现丢波现图中D为固定换能器位置,Δt时间内发射波的个象为合适.2个光电门固定在支架上,距离为d,数为n,接收波的个数为n′,相对频偏由f-f0=当摆杆摆动时,经过第1个光电门时开始计时,并f0开始计发射和接收波的个数
7、,经过第2个光电门n′-n得出.时结束计时、计数,其时间差为采样时间Δt,发射n和接收波的个数计为n,n′.采样距离可变,它由光电门位置决定,光电门越高,采样距离2Δd越长(如图1所示).3.2控制器设计控制电路框图如图3所示,控制器主要使用AT89S52单片机协调各部分工作,AT89S52是低功耗高性能CMOS芯片,片内含8kBISP(In2systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,256B的随机存取数据图1测量原理存储器(RAM),使用该芯片无需扩展外部存储由此可分
8、别得出:观察者的速度为v1=器,并兼容标准MCS251指令系统及80C51引脚[5～6]n′-nn′-n结构,该芯片负责信号的发射、接收控制和数u,声源运动的速度为v2=u,光电门nn′据处理,并将结果显示在LCD上.由于单片机系直接测速为v2Δd统是开放型系统,可随时扩充新的功能.信号产3=.Δt生采用可编程的DDS芯片AD9850,AD9850是3设计思
