多普勒效應(yīng)-實(shí)驗(yàn)報(bào)告

7.7.假設(shè)步源在移動(dòng)時(shí)只發(fā)出一個(gè)脈沖波, 4t肘刻接收器收到該脈沖波，則可以算出從零時(shí)刻到＞7.7.假設(shè)步源在移動(dòng)時(shí)只發(fā)出一個(gè)脈沖波, 4t肘刻接收器收到該脈沖波，則可以算出從零時(shí)刻到＞大連理工大學(xué)大學(xué)物理賣(mài)驗(yàn)報(bào)告院（糸丿專(zhuān)業(yè)班?級(jí)姓名學(xué)號(hào)賣(mài)驗(yàn)臺(tái)號(hào)賣(mài)驗(yàn)名稱(chēng)多普勒效應(yīng)及満速的測(cè)試與應(yīng)用賣(mài)驗(yàn)肘間年月?,第周，星期第節(jié)賣(mài)驗(yàn)名稱(chēng)多普勒效應(yīng)及満速的測(cè)試與應(yīng)用教師評(píng)語(yǔ)賣(mài)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：加深對(duì)多普勒數(shù)應(yīng)的了鮮測(cè)量空毛中步音的傳播速度及物體的運(yùn)動(dòng)速度主要儀條沒(méi)備：DH-DPL多普勒效應(yīng)及步速綜合測(cè)試儀，示疫器其中，DH-DPL多普勒效應(yīng)及步速綜合測(cè)試儀由賣(mài)驗(yàn)儀.智能運(yùn)動(dòng)控制糸統(tǒng)和測(cè)試架三個(gè)部份組成。賣(mài)驗(yàn)原理和內(nèi)彖:1＞步波的多普勒效應(yīng)賣(mài)際的步疵傳播多戍于三維的狀態(tài)下，丸只考慮其中的一維（X方向丿以簡(jiǎn)化其處理過(guò)程。3、 設(shè)步源旌.原盍，步源振動(dòng)頻率為f,接收盍亦xo,運(yùn)動(dòng)和傳樁都亦x軸向上，則可以得到步源和接收點(diǎn)沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的振動(dòng)住移表達(dá)式：4、ppoCOStXo,其中Xo為距需差引起.的相佞角的滯后項(xiàng)。coc05、 然后分多種情況考慮多普勒效應(yīng)的發(fā)生：6、 拓嫄運(yùn)動(dòng)速度為Vs,介質(zhì)和接收盍不動(dòng)22.22.22.22.源發(fā)出該脈沖波肘，步源移動(dòng)的距離為Vs（tXCo）,而該時(shí)刻步源和接收薜的實(shí)際距富為XXoVs（tXCo），若4<Ms=Vs/Co（>源運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)丿,步源向接收盍運(yùn)動(dòng)MVs（或Ms丿為正，反之為負(fù)（以下各個(gè)馬赫數(shù)的處理方法相同，均以相互需近的運(yùn)動(dòng)時(shí)記為正丿。8、 則距離表達(dá)式變?yōu)閄（XoVst）/（1Ms）,代回到波函數(shù)的普適表達(dá)式中，得到變化的表達(dá)式：小 Xo9、 poCOS c010、 可見(jiàn)接收器接收到的頻率變?yōu)樵瓉?lái)的1MS,即：11、 fs1MS（步源運(yùn)動(dòng)）12、13、 根據(jù)同樣的計(jì)算出，通過(guò)計(jì)算脈沖波發(fā)出肘的賣(mài)際住移并代換普適表達(dá)式中的初始住移量，便可以得到步源、介質(zhì)不動(dòng)，接收薜運(yùn)動(dòng)速度為 Vr時(shí)，接收彖接收到的頻率為16、 介質(zhì)不動(dòng)，聲源運(yùn)動(dòng)速度為Vs,接收器運(yùn)動(dòng)速度為V「，町得接收器接收到的頻率為19、 介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。同樣介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)會(huì)改支步波從源向接收點(diǎn)傳赭■的賣(mài)際表觀速度（真賣(mài)步速并沒(méi)有發(fā)生雯化丿，導(dǎo)敷計(jì)算收發(fā)步肘的賣(mài)時(shí)住移量變?yōu)閄XoVmt,通過(guò)同樣的計(jì)算法，可以得到此狀態(tài)下接收彖收到的頻率為（以介質(zhì)向接收器運(yùn)動(dòng)肘， 馬縣數(shù)記為正丿fm（1Mm）f（介質(zhì)運(yùn)動(dòng)丿21, 另外，當(dāng)步源和介質(zhì)以相同的速度和方向運(yùn)動(dòng)肘， 接收器收到的頻率不變（從定性的分析即可得到這一點(diǎn)結(jié)論丿coco tsin18.23、 本賣(mài)驗(yàn)重點(diǎn)研允第二種情況，和步源和介質(zhì)不動(dòng)，接收薜運(yùn)動(dòng)。設(shè)接收器運(yùn)動(dòng)速度為Vr,根據(jù)式可知，改變Vr就可得到不同的fr,從而殮證了多普勒效應(yīng)。另外，若己知Vjf,并測(cè)出fr,若將?儀器的超步則可算出步速CO,可將用多普勒頻移測(cè)得的步速值￡用肘差法測(cè)得的步速作比較。若將?儀器的超步換能薜用作速度傳感薜，就可用多普勒數(shù)應(yīng)來(lái)研兗楊體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。24.步速的幾科測(cè)量原理26、 超步波與壓電陶瓷換能彖27、 頻率需于20kHz的步波稱(chēng)為超步波，超步波的傳播■速度等于步波的傳播速度，而超步波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)，故賣(mài)驗(yàn)中采用超拓波來(lái)驗(yàn)證多普勒效應(yīng)。本賣(mài)驗(yàn)使用的壓電陶瓷換能麥為縱向換能器， 即能夠?qū)?軸向的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓的變化并輸出。右圖為其結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖29.,時(shí)差法測(cè)量原理,連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能薜發(fā)射至彼測(cè)介質(zhì)中，步波亦介質(zhì)中傳福，經(jīng)過(guò)t肘間后，到達(dá)L距富處的接收換能薜。顯然步波在介質(zhì)中傳播的速度 V=L/t。發(fā)射湊能孚波闿32、 測(cè)量過(guò)程中發(fā)射與接收端的顯示波形如下:33.步驟與燥作方法:時(shí)差法測(cè)步速通過(guò)調(diào)節(jié)滾艷帽，將接收換能薜調(diào)到距發(fā)射換能賽12cm處，記錄接收換能器接收到的脈沖佶號(hào)與原仿號(hào)肘問(wèn)差。

將?接收換能器分別調(diào)至12cm.13cm 19cm分別記錄各住置肘間差。（注意避開(kāi)肘問(wèn)不穩(wěn)定的區(qū)域,3?使用穩(wěn)定的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量丿4-多普勒比測(cè)步速瞬時(shí)法測(cè)步速5^從主菜單進(jìn)入多普勒數(shù)應(yīng)實(shí)驗(yàn)6.將?接收換能彖調(diào)到約75cm處，段置源頻率使接收端的感應(yīng)傳號(hào)幅值最大（諧振狀態(tài)丿返回多普勒數(shù)應(yīng)萊單，點(diǎn)7.擊瞬時(shí)測(cè)量。8.按下智能運(yùn)動(dòng)控制糸統(tǒng)的 Set鍵，進(jìn)入速度調(diào)節(jié)狀態(tài)—按 UpX至速度調(diào)節(jié)到s9.按Set鍵確認(rèn)—再按Run/Stop絨使接收換能器運(yùn)動(dòng)。10.〔［訶錄“測(cè)量頻率"的值，按Dir改支運(yùn)動(dòng)方向，再次測(cè)量。12.13.反射出測(cè)步速用發(fā)射發(fā)測(cè)步速肘，反射屛要運(yùn)離兩換能器，調(diào)整兩換能薜之間的距離、兩換能彖和反射屛之bn的波舉處淮.一個(gè)L,記下此肘示間的14. 夾角8以及垂直距離bn的波舉處淮.一個(gè)L,記下此肘示定波形。利用數(shù)字示波器觀疾波形，通過(guò)調(diào)節(jié)示疵采使接受波形的禁一波頭家易辨識(shí)的肘間軸住置上，然后向前或向后水平調(diào)節(jié)反射屛的住置，使移動(dòng)△波器中選定的波頭bn在時(shí)間軸上移動(dòng)的時(shí)間厶t,如右圖所示，從而得出步速值波器中選定的波頭bn在時(shí)間軸上移動(dòng)的時(shí)間厶t,如右圖所示，從而得出步速值Co反射屛15.根據(jù)幾何關(guān)糸，可以得到步速的計(jì)算表達(dá)式為：X2L多次測(cè)量后，與理論給出值比較：Co331.4511(m/s丿，t為掇氏溫棟下的室溫?！?73.1620.利用己知步速測(cè)物體移動(dòng)速度從主萊單進(jìn)入變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，將■采樣步距改為50ms。長(zhǎng)按智能運(yùn)動(dòng)控制糸統(tǒng)的Set鍵，使其進(jìn)入ACC1支速運(yùn)動(dòng)模式，再按Run/Stop鍵使接收換能器變速運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)擊“開(kāi)始測(cè)量”由糸統(tǒng)記錄接收到估號(hào)的頻率1如豐分鐘后曲線仍未出現(xiàn)，則需重新調(diào)節(jié)諧振頻率丿。再按Run/Stop鍵停止變速運(yùn)動(dòng)。點(diǎn)擊"數(shù)據(jù)"記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。計(jì)算接收換能采的最丸運(yùn)行速度，色出相應(yīng)Vt曲線。教據(jù)記錄與處理:1.肘差出測(cè)步速賣(mài)驗(yàn)數(shù)據(jù)L(cm)t(ps)3103393683974304554855142.多普勒去側(cè)>速賣(mài)驗(yàn)數(shù)據(jù)fo=3734OHzf+=37390Hz,Vr+=+s;f-=37291Hz,Vr-=s3.己知步速求運(yùn)動(dòng)物體速度賣(mài)驗(yàn)數(shù)擔(dān)n16111621263136f(Hz)3731837313373103731137314373183732837334n4146515661667176f(Hz)3734737352373623736737371373723736737363n81869196101106111116f(Hz)3735437349373363732737321373153731137309n121126131136141146151156f(Hz)3731337318373223733137342373543735937366n160f(Hz)37369而在160個(gè)完整的采樣數(shù)據(jù)中，最丸和最小頻率分別為:fmax=37373Hzfmin=37309Hz結(jié)果與分析:由肘差法的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)作圖法計(jì)算>速:根據(jù)己知數(shù)據(jù)，作圖如下：L(cm)19?yvsx—fit118480,17.8165|46DrJ7.1325141312360J13.7125320 340 360 380 400 420 440 460480 500如圖，取4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用逐差法，取平均值得到直線的斜率為k=)is19?yvsx—fit118480,17.8165|46DrJ7.1325141312360J13.7125320 340 360 380 400 420 440 460480 500如圖，取4個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用逐差法，取平均值得到直線的斜率為k=)is故測(cè)得的步速為co=342m/s2.多普勒法測(cè)步速己知，接收器向步源運(yùn)動(dòng)叭f(wàn)(1Vr)fo,遠(yuǎn)畜聲源運(yùn)動(dòng)叭coV

r(1Vr)fo,綜合c°兩式可以得到>速的計(jì)算公式為:代入己知數(shù)據(jù)， co代入己知數(shù)據(jù)， co0.449m/s0.449m/s37390Hz37291Hzf0338.7002m/s又己知相關(guān)的不確定度為UfO=Uf+=Uf-=1Hz,Uvr+=Uvr-=S22220.014629Uc°:4/1Ul2U_L2 uvr2Uvr0.014629Co”石 V；~~V；Uco==5m/s步速的最終結(jié)果形式為：co3385m/s3.由己知的步速測(cè)量賜體（接收薜丿的運(yùn)動(dòng)速度根據(jù)第二種多普勒效應(yīng)的頻率變化公式，可以得到由變化后的頻率計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度的衣式為：Vr/Cof1,其中V為正表示樓收薜向步源移動(dòng)， 反之表示遠(yuǎn)離步源移動(dòng)f0將釆樣數(shù)據(jù)的編號(hào)根據(jù)采樣步長(zhǎng)值改為釆樣肘間 t,在列出V?f的對(duì)應(yīng)關(guān)糸后，可以得到以下這張表現(xiàn)肘間?頻率■運(yùn)動(dòng)速度對(duì)應(yīng)關(guān)糸的t-f-V表：t(ms)02505007501000125015001750f(Hz)3731837313373103731137314373183732837334V(m/s)t(ms)20002250250027503000325035003750f(Hz)3734737352373623736737371373723736737363V(m/s)t(ms)40004250450047505000525055005750f(Hz)3735437349373363732737321373153731137309V(m/s)t(ms)60006250650067507000725075007750f(Hz)3731337318373223733137342373543735937366V(m/s)t(ms)7900f(Hz)37369V(m/s)根據(jù)V寸的對(duì)應(yīng)關(guān)糸，可以園出兩者的麥化規(guī)律曲線?？梢杂?jì)畀出接收器運(yùn)動(dòng)速度的最大和最小值分別為 可以計(jì)畀出接收器運(yùn)動(dòng)速度的最大和最小值分別為 fmax=S,fmin=S（數(shù)值最小丿,可以計(jì)畀出接收器運(yùn)動(dòng)速度的最大和最小值分別為 可以計(jì)畀出接收器運(yùn)動(dòng)速度的最大和最小值分別為 fmax=S,fmin=S（數(shù)值最小丿,為保證曲線的準(zhǔn)確性，以下使用Matlab作為計(jì)算工具，通過(guò)傅里葉變換遍近，來(lái)得到函數(shù)圖像。以下為計(jì)算過(guò)程的程序代碼：以t%X雯量，V為y變量，將教據(jù)輸入程序中，x=[02505007501000 1250150017502000225025002750300032503500375040004250450047505000525055005750600062506500675070007250750077507900]y=[?0.?0.?0.-0.?0.0.0.0.0.-0.-0.0.0.1使用兇數(shù)擬合工具CurveFittingTools,以Fourier模擬（工具箱不提供三角函數(shù)擬合丿得到以下的兇教曲線j：可見(jiàn)謝像朗顯地表達(dá)出了接收器的變速運(yùn)動(dòng)是水平簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。另外根據(jù)完整采樣數(shù)據(jù)中得到的f的最大和最小值fmax=37373Hz,fmin=37309Hzfminf=S（賣(mài)際最小p但由于采樣盍不完全，該數(shù)據(jù)可能不準(zhǔn)確丿討論、建議與質(zhì)賤:馬縣是怎樣定義的？c,禁一揚(yáng)體的運(yùn)動(dòng)速度為c,禁一揚(yáng)體的運(yùn)動(dòng)速度為v,則該揚(yáng)體運(yùn)動(dòng)的馬赫教Ms=v/co或者說(shuō)是飛行速度占當(dāng)?shù)貐鹚俚谋戎?，?jiǎn)稱(chēng)M教，M教是以典地利物理學(xué)家伊?馬赫的姓無(wú)命名的。楊體的運(yùn)動(dòng)速度跨越音速時(shí)，需要考慮什么問(wèn)題？在超越音速時(shí)，需要考慮的問(wèn)題是音障。音障是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)物體（通常是航空彖丿的速度接近音速肘，將令逐漸追上自己發(fā)出的步疵。步波疊合累積的結(jié)果，會(huì)燮成震疵的產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)飛行器的加速尹生障礙，而這種因?yàn)閰鹚僭斐商嵘俣鹊恼系K稱(chēng)為咅障。以飛行彖為例考慮咅障帶來(lái)的影響，當(dāng)飛機(jī)的速度超過(guò)音速肘，飛機(jī)前面的空毛因來(lái)不及躲避而彼緊密地壓縮亦一起.，即空毛機(jī)械振動(dòng)波向裔傳福的速度小于飛機(jī)飛行的速度，堆聚成一層薄薄的波面激波，激波后面，空毛因彼壓縮，使壓強(qiáng)突然升壽，阻止了飛機(jī)的進(jìn)一步加速，并可能使機(jī)翼和尾翼劇烈振顫。當(dāng)飛行薜從亞咅速跖越到超咅速肘，則必、須穿透這一空毛屛障，在穿透的過(guò)程中，將同肘承受巨大的毛壓力和激波造成的劇，烈震蕩，因此必須考慮的問(wèn)題就是飛行器的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，能否承受壽壓和震蕩而不發(fā)生鮮體；以及飛行器接近音速時(shí)路越音速所需的推動(dòng)力會(huì)有一個(gè)陡增，需要往設(shè)計(jì)推進(jìn)薜的肘候考慮到這一點(diǎn)。7.步波的多普勒效應(yīng)的應(yīng)用有：篋學(xué)上的超步波檢測(cè)（借助超步波發(fā)射和流動(dòng)的血液之間的多普勒效應(yīng)丿,交警利用多普勒效應(yīng)來(lái)測(cè)量道路上行駛的汽車(chē)的速度，以檢查其是否超速；11.光波的多普勒數(shù)應(yīng)應(yīng)用有：天丈學(xué)上通過(guò)觀矗恒星光譜的紅移和藍(lán)移來(lái)判斷恒星