关于多普勒效应测超声声速的讨论

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1、关于多普勒效应测超声声速的讨论作者：李晨（39071319）一、摘要：该报告简要介绍了多普勒效应测超声声速的实验原理，基本步骤，并进行数据处理，对该实验中产生的误差进行定量的分析，并提出了异常现象的解释，最后附上一些对实验的感想和体会。二、实验目的：1、通过实验的进一步了解多普勒效应原理及其应用。2、熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用。3、熟悉掌握数字示波器的使用。三、实验原理：1、多普勒效应测速原理。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=u+v1u-v2f0式中，f0为声源发射频率，u为声速，v1为接收器运动速率，v2为声源运动速率，v1，v

2、2的符号规则：声源和观察者相向运动时为正，背离运动时为负。实验装置中各部件的位置如下图所示：根据多普勒公式，可以推导出回波频率，多普勒频移和小车运动的速度分别是f=u+vu-vf0∆f=f+f0uvv=f-f0f+f0u由于电路中不能表征负频移（即不论靠近还是远离超声头，∆f恒为正），所以在该系统中采用标量表示（∆f不区分正负，V以靠近或远离超声头进行标识）小车靠近超声头时速度公式：v=∆f2f0+∆fu小车远离超声头时的速度公式：v=∆f2f0-∆fu在实验中，可以从示波器上相应的波形读出f0与∆f，并由着两个公式计算得到小车的运行速度，再与仪器自动测量值进行比较。2、光电门测速原理：作

3、为多普勒效应测速的参考，在本实验中还采用了光电门测速的方式以利于比较，下图即为光电门的典型应用电路。发光二极管经过R1与Vcc相连，导通并发出红外光，光电三极管在光照条件下可以到同，如果发光二极管与光电三极管之间没有障碍物，则发光二极管发出的光能够使光电三极管导通，output输出端被拉至0电平，输出为低；若中间有障碍物，则光电三极管戒指，output端被拉至1电平，输出为高，挡光片如上图所示。本实验中将挡光片安置在小车上，当做运动物体的小车通过光电门时，将产生二次挡光，根据光电门输出端产生的两个脉冲上升沿之间的时差和挡光片的相应长度（1cm），可以计算出小车的运动速度。四、仪器介绍：如下

4、图的电路原理框图：五、实验内容1、利用多普勒效应测速仪测量运动物体通过光电门的速度打开多普勒超速测速仪以及示波器的电源，启动系统并初始化，小车在导轮左侧限位处，操作测速仪表面薄膜键盘，选择“开始测量”进入测试页面，设置参数，电机速度在20%~70%之间，如果超出该范围，容易导致电机无法启动或发生异常，“测得速度”是指用多普勒方式测得的小车运动速度。“标准速度”指采用光电门方式测得的速度。2、加入温度修正后运动物体速度的测量在测试页面中，选择“测量环境温度”，按“确定”按钮进入，系统根据温度传感器传回的温度数据自动计算并显示理论声速（理论声速u=331.451+t273.15℃m/s，其中t

5、为温度，单位：℃），系统会自动提示是否需要校正声速，按“确定”按钮校正，然后返回，重复按照实验内容1操作，此时得到的是经过温度校正后实际声速的数据，有着更好的精度。3、手动测量运动物体通过光电门的速度分别连接多普勒超声测速仪上的“发射”，“接受”端子至示波器第一、二通道，观察发射信号和接受信号的波形，记录超声发射波的准确频率。分别连接多普勒超声测速仪上的“参考”，“频移”端子至示波器的第一、二通道，手动观察示波器，电压量程至“20V/div”，时间分度调整为“50ms”，触发方式设为“正常”。4、环境声速的测量在测试页面中，选择“测量环境声速”，按“确定”按钮进入，系统自动将小车复位至左端

6、限位处，通过发射并接受回波的方式测得时间差，系统根据该时间差和超声波从发射到反射接收的路径长度（1.58m）自动计算得出实际声速，可以按“确定”按钮校正声速，按“返回”按钮开始操作。5、速度曲线绘制返回至测试页面，选择“绘制速度曲线”，初速度20%~70%之间，加速度不超过±10%，通过测速仪液晶显示界面观察小车的匀速/加速运动的过程。六、数据处理1、未加入温度修正的测量速度电机速度设置（%）25%30%35%40%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度（m/s）0.18590.18780.22400.22620.26110.26470.30010.3028误差（m/s）0.01620

7、.00660.00300.00750.00700.01020.00660.0072平均误差（m/s）+0.0114+0.00525+0.0086+0.00692、加入温度校正后运动速度测量（u=331.45+0.6t=343.8m/s）t=20.62℃电机速度设置（%）25%30%35%40%靠近远离靠近远离靠近远离靠近远离多普勒速度（m/s）0.18810.19000.22600.22860.26380.26890.3