基于乘法器的超声多普勒实验仪的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com第27卷第7期大学物理Vol_27NO．72008年7月COLLEGEPHYSICSJuly2008基于乘法器的超声多普勒实验仪的研究李翔，徐平，PatriceBOTTINEAU(1．北京航空航天大学理学院，北京100083；2．北京航空航天大学中法工程师学院，北京100083)摘要：介绍了一种基于模拟乘法器的超声多普勒效应实验仪．该设备利用超声发射换能器的激励信号和经过限幅放大处理后的接收换能器的输出信号，作为模拟乘法器的输入；将乘法器的输出经过低通滤波器后得到多普勒频移信号，从而获得接收换能器的运动速度．

2、该设备具有结构清晰、操作方便、物理现象明显等特点，十分适合在大学物理实验教学中应用．关键词：多普勒效应；乘法器；测速实验仪中图分类号：O426．2文献标识码：A文章编号：1000—0712(2008)07—0053—03多普勒效应是一种与波动紧密相关的物理现式中为声源发射频率，u为声速，，为接收器运动象．利用多普勒效应可以测量运动物体的速度⋯．目速率，：为声源运动速率，Ol。是声源与接收器连线前国内许多高校在物理实验课程中开设了各种基于与接收器运动方向之间的夹角，Ol：是声源与接收器多普勒效应的实验项目，采用的实验设备也各不相连线与声源运动方向之间的夹角．

3、同¨．但目前许多高校使用的多普勒效应实验仪在实验过程中，声源保持不动，接收换能器在导集成化和智能化程度太高，实验时需要学生动手操轨上沿声源与接收换能器连线方向上运动，则从式作的环节太少；信号的转换、传输和处理过程不透(1)可以得到接收换能器上得到的信号频率为明，不利于学生在实验过程中细致观察各种物理现f=A(1+v／u)(2)象，分析测量误差的来源等，难以满足深入培养学生式中为接收换能器的运动速度，当向着声源运动自主动手能力和观察分析能力的需要．时，取正，反之取负．利用式(2)可以得到接收换能本文介绍的这种基于模拟乘法器的超声多普勒器的运动速度为．效应实验

4、仪，是为了满足北航中法工程师学院在基：u(，一厂0)／fo：uAf／fo(3)础物理实验教学中加强学生自主动手能力和分析观式中：，一为多普勒频移．察能力的要求而开发的．该实验仪以商用超声多普在本研究中，采用的信号处理电路如图1所示，其中模拟乘法器采用了AD633，其信号的输入输出勒实验系统(杭州大华DH—DPL1)的导轨模块作为开发平台，以模拟乘法器作为测量系统的核心单元；关系为实验过程中学生需要自主搭建信号拾取和处理电：+(4)上I．／路，并利用示波器观察各个环节的信号波形，具有结若输入到AD633的信号为，：E，C08(2"trfot+构简单、操作方便

5、、实验过程中物理现象明显并易于，)，Y，=E2COS(2+2)，2、Y2以及z均接地，则观察等特点，具有很高的训练价值，十分适合在基础AD633的输出为物理实验教学中应用．FF：1实验原理．{cos[2w(f+fo)￡+2+1]+COS[2竹(，一厂0)t+2—。]}(5)根据声波的多普勒效应公式，当声源与接收器其中包含了两路信号的和频分量与差频分量．利用之间有相对运动时，接收器收到的信号频率，为低通滤波器可以提取出其中的差频分量，即多普勒f-fo(u+lCOSO／1)／(u一2COSO／2)(1)频移，从而计算出接收换能器的运动速度．收稿日期：2007-

6、07-05；修回日期：2008-01—2l基金项目：北京航空航天大学中法工程师学院基础教学实验条件建设资助项目作者简介：李翔(1984一)，男，广西桂林人，北京航空航天大学应用物理系2003级本科生维普资讯http://www.cqvip.com大学物理第27卷仆R]一●AD633C3器工作在“单次采集”模式，并将光电门输出的开关信号作为数字示波器“单次采集”的触发信号，这样当小车经过光电门时，将触发示波器采集并记录下如图2所示的信号．图2中CH1是u型挡光片经过光电门时的输出信号，CH2是图1所示信号处理电路的输出，即多普勒频移信号．图1信号处理电路t在

7、实际测量过程中，由于接收换能器与声源(发射换能器)的距离在不断变化过程中，因此接收换能1．器输出信号的幅度不是恒定值．为了保证乘法器的输出信号幅度稳定，本研究中采用OA1组成的限幅放大电路，使输入到乘法器的信号幅度保持恒定值，2八八八八八八八八／以便于观察．因为本实验中只关心输出信号的频率，因此对接收换能器输出信号幅度的处理不会影响到实验结果．利用OA2构建的有源低通滤波器，可以有效提取出多普勒频移信号．本研究所使用的机械平台是杭州大华出品的tDH—DPL1多普勒效应实验仪的导轨．在该装置中，超声发射换能器固定于导轨一端，接收换能器则安f装在由步进电机控制

8、的小车上，可以在接收与发射换能器连线方向上做匀速直线运动，运动速度