多普勒效應(yīng)實驗.doc

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1、物理實驗報告實驗科目：近代物理實驗實驗名稱：多普勒效應(yīng)實驗院系：數(shù)理信息學(xué)院班級：學(xué)號：姓名：時間：2011年11月9日地點：綜合樓B0909多普勒效應(yīng)實驗一、概述：當(dāng)波源和觀察者（或接收器）之間發(fā)生相對運動，或者波源、觀察者不動而傳播介質(zhì)運動時，或者波源、觀察者、傳播介質(zhì)都在運動時,觀察者接收到的波的頻率和發(fā)出的波的頻率不相同的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在核物理，天文學(xué)、工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等方面有十分廣泛的應(yīng)用。如用于衛(wèi)星測速、光譜儀、多普勒雷達，多普勒彩色超聲診斷儀等。二、實驗原

2、理：1．聲波的多普勒效應(yīng)設(shè)聲源在原點，聲源振動頻率為f，接收點在x，運動和傳播都在x方向。對于三維情況，處理稍復(fù)雜一點，其結(jié)果相似。聲源、接收器和傳播介質(zhì)不動時，在x方向傳播的聲波的數(shù)學(xué)表達式為：　　　?。?-2）①聲源運動速度為，介質(zhì)和接收點不動設(shè)聲速為，在時刻t,聲源移動的距離為-因而聲源實際的距離為（1-2）其中為聲源運動的馬赫數(shù)，聲源向接收點運動時（或）為正，反之為負(fù)，將式（1-2）代入式（1-1），得可見接收器接收到的頻率變?yōu)樵瓉淼?,即:　　　　　　　　　　　?。?-3）②聲源、介質(zhì)不動

3、，接收器運動速度為V，同理可得接收器接收到的頻率:第　8　頁　　　　　　　　（1-４）其中為接收器運動的馬赫數(shù)，接收點向著聲源運動時（或）為正，反之為負(fù)。③介質(zhì)不動，聲源運動速度為，接收器運動速度為，可得接收器接收到的頻率:　　　　　　　　　　　?。?-5）④介質(zhì)運動，設(shè)介質(zhì)運動速度為,得根據(jù)（1-1）式可得：　（1-6）其中為介質(zhì)運動的馬赫數(shù)。介質(zhì)向著接收點運動時（或）為正，反之為負(fù)?？梢娙袈曉春徒邮掌鞑粍?，則接收器接收到的頻率：　　　　　　　　　　　　（1-7）還可看出，若聲源和介質(zhì)一起運動，則

4、頻率不變。為了簡單起見，本實驗只研究第2種情況：聲源、介質(zhì)不動，接收器運動速度為。根據(jù)1-4式可知，改變就可得到不同的以及不同的，從而驗證了多普勒效應(yīng)。另外，若已知、f，并測出，則可算出聲速，可將用多普勒頻移測得的聲速值與用時差法測得的聲速作比較。若將儀器的超聲換能器用作速度傳感器，就可用多普勒效應(yīng)來研究物體的運動狀態(tài)。2、聲速的幾種測量原理①超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機械振動在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波

5、長短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點。聲速實驗所采用的聲波頻率一般都在20～60kHz之間，在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)射器、接收器效果最佳。第　8　頁壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動）換能器、徑向（振動）換能器及彎曲振動換能器。聲速教學(xué)實驗中所用的大多數(shù)采用縱向換能器。圖1為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。②共振干涉法（駐波法）測量聲速假設(shè)在無限聲場中，僅有一個點聲源換能器1（發(fā)射換能器）和一個接收平面（接收換能器2）。當(dāng)點聲源發(fā)出聲波后，在此聲場中只有一個反射面（即接收換能器平面），并

6、且只產(chǎn)生一次反射。在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波。在S2處產(chǎn)生反射，反射波，信號相位與ξ1相反，幅度A2＜A1。ξ1與ξ2在反射平面相交疊加，合成波束ξ3由此可見，合成后的波束ξ3在幅度上，具有隨呈周期變化的特性，在相位上，具有隨呈周期變化的特性。另外，由于反射波幅度小于發(fā)射波，合成波的幅度即使在波節(jié)處也不為0，而是按變化。圖2所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按變化的特征。第　8　頁實驗裝置按圖8所示，圖中1和2為壓電陶瓷換能器。換能器1作為聲波發(fā)射器，它由信號源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號，由逆

7、壓電效應(yīng)發(fā)出一平面超聲波；而2則作為聲波的接收器，壓電效應(yīng)將接收到的聲壓轉(zhuǎn)換成電信號。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號產(chǎn)生的正弦波形。由于換能器2在接收聲波的同時還能反射一部分超聲波，接收的聲波、發(fā)射的聲波振幅雖有差異，但二者周期相同且在同一線上沿相反方向傳播，二者在換能器1和2區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了波的干涉，形成駐波。我們在示波器上觀察到的實際上是這兩個相干波合成后在聲波接收器（換能器2）處的振動情況。移動換能器2位置（即改變換能器1和2之間的距離），從示波器顯示上會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換能器2在某位置時振幅

8、有最大值。根據(jù)波的干涉理論可以知道：任何二相鄰的振幅最大值的位置之間（或二相鄰的振幅最小值的位置之間）的距離均為λ/2。為了測量聲波的波長，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時，緩慢的改變換能器1和2之間的距離。示波器上就可以看到聲振動幅值不斷地由最大變到最小再變到最大，二相鄰的振幅最大之間的距離為λ/2；換能器2移動過的距離亦為λ/2。超聲換能器2至1之間的距離的改變可通過轉(zhuǎn)動滾花帽來實現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由測試儀直接讀出。在連續(xù)多次測量相隔半波長的位置變化及聲