多普勒声速实验--实验报告(共4页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验 实验报告 一:实验目的多普勒效应是一种与波动紧密相关的物理现象.利用多普勒效应可以测量运动物体的速度,但目前许多高校使用的多普勒效应实验仪集成化和智能化程度太高,实验时需要学生动手操作的环节太少;信号的转换、传输和处理过程不透明,不利于学生在实验过程中细致观察各种物理现象,分析测量误差的来源等,难以满足深入培养学生自主动手能力和观察分析能力的需要.本实验以商用超声多普勒实验系统(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;实验过程中学生需自行搭建信号拾取和处理电路,并利用示波器观察各个
2、环节的信号波形,有助于培养学生得动手能力,并加深对多普勒效应及对模拟电子实验的理解。二: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,接收器收到的信号频率 f为:f = f0 (u + v1 cos1 ) / (u - v2 cos2 )(1)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,1 是声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,2 是声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角.在实验过程中,声源保持不动,接收换能器在导轨上沿声源与接收换能器连线方向上运动,则从式(1)可以得到接收换能器上得到的信号频率为:f = f0 (1
3、+ v/u) .(2)式中 v为接收换能器的运动速度,当向着声源运动时, v取正,反之取负.利用式(2)可以得到接收换能器的运动速度为:v = u(f - f0 ) /f0 = uf/f0 .(3) 式中f = f - f0为多普勒频移.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,其信号的输入输出关系为:W =(x1 - x2 ) (y1 - y2 )/10+ z (4)若输入到AD633的信号为 x1 = E1 cos(2f0 t +1 ) , y1 = E2 cos(2ft +2 ) , x2、y2 以及 z均接地,则AD633的输出为:W =E1 E2c
4、os2(f + f0 ) t +2 +1 /20+cos2(f - f0 ) t +2 -1 (5)其中包含了两路信号的和频分量与差频分量. 利用低通滤波器可以提取出其中的差频分量,即多普勒频移,从而计算出接收换能器的运动速度.在实际测量过程中,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,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
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