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实验8 多普勒效应综合实验 对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时, 观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。 多普勒效应在核物理、天文学、工程技术、交通管理、医疗诊断等方面有十分广泛的应用。如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。 【实验目的】 了解声波的多普勒效应现象,掌握智能多普勒效应实验仪的应用。 测量超声接收器运动速度与接收频率的关系,验证多普勒效应。 观察物体不同类型的变速运动的规律。 掌握用时差法测量空气中声波的传播速度。 超声换能器特性测量。 【实验仪器】 智能多普勒效应实验仪由型实验仪、测试架组成。 实验仪由信号发生器和功率放大器、接收放大器、微处理器，液晶显示器等组成。测试架由步进电机，电机控制模块，超声收、发射换能器，光电门、小车等组成(如图2-8-1所示)。 【实验原理】 1．声波的多普勒效应： 设声源在原点，声源振动频率为，接收点运动和声波传播都在方向。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，在方向传播的声 波的数学表达式为： （1），介质和接收点不动： 设声速为，在时刻 ,声源移动的距离为： 因而声源实际的距离为： 所以 （2） 为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时（或）为正，反之为负，将式（2-8-2）代入式（2-8-1） ： 可见接收器接收到的频率变为原来的, 即 ： （3） （2）声源、介质不动，接收器运动速度为，同理可得接收器接收到的频率： （4） 其中为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时（或）为正，反之为负。 （3）介质不动，声源运动速度为，接收器运动速度为，可得接收器接收到的频率： （5） , 得： X = X0-Vm t 根据式（2-8-1）可得： （6）为介质运动的马赫数。介质向着接收点运动时（或）为正，反之（或）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 （7）2）两种情况，验证多普勒效应。另外，若已知Vr、f，并测出fr，则可算出声速u，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。 2．时差法测量声速的原理：（驻波法、相位法在此忽略） 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达距离L处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：V=L/t 。 通过测量发射、接收换能器端面之间距离L和时间t，就可以计算出声波在当前介质中的传播速度。 声速理论值： (2-8-8) 其中为室温，单位为 【实验内容与步骤】 一．实验内容： 熟悉仪器性能，掌握仪器使用方法。 超声换能器频率特性测量，找寻换能器探头的谐振频率。 接收器与介质不动，测量声源的运动速度与接收器接收频率的关系，验证多普勒效应。 发射器与介质不动，测量接收器的运动速度与其接收频率的关系，验证多普勒效应。 用步进电机控制超声接收换能器的运动速度，通过测频求出空气中的声速。 将超声换能器作为速度传感器，用于研究匀速直线运动，匀加（减）速直线运动，简谐运动等。 单探头测量物体距离。 在直射式和反射式两种情况下，用时差法测量空气中的声速。 *若另配示波器，可用“驻波法”和“相位法”测量声速(仪器有收、发波形输岀口)，可参阅相关资料进行。 二．实验步骤： 1．参数设定 ： (1) 把型智能多普勒效应实验仪、测试架用专用连接线连接起来。先打开工作电源,液晶屏显示主菜单： 仪器预热15分钟后，进行实验； （2）先按触一下液晶屏主菜单 “1. 多普勒效应实验”选项，液晶屏显示子菜单： 其中显示的(环境)温度、(采集)点数、(采集)间隔值是仪器出厂时的预置值，可修改 (除环境温度须重新设置外，其它参数保持不变，按原预置运行)。 （3）环境温度值设置：若要把“25.00C”修改到环境温度“XX.X0C”，操作步骤如下： 按触菜单下部的“参数设定”及子菜单的“环境温度”，在设置窗口