实验十一多普勒效应的验证.docx

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1、实验十一 多普勒效应的验证实验十一 多普勒效应的验证 一、实验目的 1. 了解多普勒效应。 2利用多普勒效应测定小车的运动。 二、实验仪器 DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪 三、实验原理 声波的多普勒效应 设声源在原点,声源振动频率为f,接收点在x,运动和传播都在x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x方向传播的声波的数学表达式为: wswt- p=p0coc0x 声源运动速度为VS,介质和接收点不动 设声速为c0,在时刻t ,声源移动的距离为 VS(t-xc0) 因而声源实际的距离为 x=x0-VS(t-xc0) x=(x0-VSt)/(

2、1-MS) 其中MS=VS/c0为声源运动的马赫数,声源向接收点运动时VS为正,反之为负,将式1-2代入式1-1: wp=p0cos1-MSx0t-c 0可见接收器接收到的频率变为原来的1, 即: 1-MS fS=f 1-MS 声源、介质不动,接收器运动速度为Vr,同理可得接收器接收到的频率: fr=(1+Mr)f=(1+Vr)f c0其中Mr=Vr为接收器运动的马赫数,接收点向着声源运动时Vrc0为正,反之为负。 介质不动,声源运动速度为VS,接收器运动速度为Vr,可得接收器接收到的频率: frs=1+Mrf 1-Ms介质运动,设介质运动速度为Vm,得 x=x0-Vmt 根据1-1式可得:

3、p=p0cos(1+Mm)wt-x0 c0w其中Mm=Vmc0为介质运动的马赫数。介质向着接收点运动时Vm为正,反之为负。 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 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。根据1-4式可知,改变Vr就可得到不同的fr以及不同的f =fr-f,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c0,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。 四、实验

4、内容与步骤 把测试架上收发换能器(固定的换能器为发射,运动的换能器为接受)及光电门I连在实验仪上的相应插座上,实验仪上的“发射波形”及“接收波形”与普通双路示波器相接,将“发射强度”及“接收增益”调到最大;将测试架上的光电门II、限位及电机控制接口与智能运动控制系统相应接口相连;将智能运动控制系统“电源输入”接实验仪的“电源输出”。开机后可进行下面的实验。 1.验证多普勒效应 进入“多普勒效应实验”画面后,先“设置源频率”,用“率即已设好。 接着转入“瞬时测量”,确保小车在两限位光电门之间后,开启智能运动控制系统电源,设置匀速运动的速度,使小车运动,测量完毕后,可得到过光电门时的信号频率,多普

5、勒频移及小车运动速度。 改变小车速度,反复多次测量,可作出f-v或Df-v关系曲线。 改变小车的运动方向,再改变小车速度,反复多次测量,作出f-v或Df-v关系曲线。 然后转入“动态测量”,记下不同速度时换能器的接受频率变化值。注意:动态测量仅限于小车运动速度较低时。 改变小车速度,反复多次测量,可作出f-v或Df-v关系曲线。 改变小车的运动方向,再改变小车速度,反复多次测量,作出f-v或Df-v关系曲线。 动态法可更直观的验证多普勒效应。 2. 研究物体的运动状态 将超声换能器用作速度传感器,可进行匀速直线运动,匀加直线运动,简谐振动等实验。这时应进入“变速运动实验”,设置好采样点数,采样步距后,“开始测量”,测量完后显示出结果。 进行运动实验时,除了用智能运动系统控制的小车外,还可换用手动小车,这时注意应该推动小车系统的底部使小车运动,并且不能用力过大、过猛。 ”“”增减信号频率,一次变化10Hz,同时观察示波器的波形,当接收波幅达最大时,源频五、注意事项 1、使用时,应避免信号源的功率输出端短路。 2、注意仪器部件的正确安装、线路正确连接。 3、仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统,严禁运行过程中人为阻碍小车的运动。 4、注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5、小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行。

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