专利名称：多谱勒效应综合实验装置及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种物理实验装置及实验方法，特别是涉及能定量测量声速和物体运动速度并验证多谱勒效应的多谱勒效应综合实验装置和实验方法。
背景技术：
当两辆火车相向而行时，乘客一定有这样的感受，在火车越来越接近时，车的汽笛声变得急促而尖锐，而在火车相遇之后，随着两车距离的加大，汽笛声变得粗厚。这个就是由多谱勒效应而造成的，多谱勒效应即为如果波源或观察者相对于媒质运动，或两者均相对于媒质运动，则波的频率或接收到的频率要发生变化或两者均变的现象。
多谱勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断，测量技术等各方面都有十分广泛的应用。例如雷达系统就是基于多谱勒效应原理，应用于导弹、卫星、车辆等运动目标速度的监测。医学上的超声波对人体内脏活动情况及血液流速的检测都是根据多谱勒效应的原理进行的。
多普勒效应是大学物理的一个重要内容，目前多普勒效应的教学演示仪器较多，但用于实验的仪器很少，也存在很多不足，无法准确测量。
国内同类仪器有成都世纪中科仪器有限公司生产的多普勒效应实验仪，它是用超声换能器作信号发射和接收，受其限制，实验中只能用一个信号频率，不能作改变信号频率的实验。另外它的小车运动是靠砝码滑轮带动，无法保持匀速运动，与理论定义有差距。
德国PHYWE公司生产的声波多普勒效应仪，带有计算机检测软件和接口，但软件检测频率受到很大限制，只能在某一范围较准确，精度不高。另外其小车运动用电池驱动，只有两档速度变化，测量参数变化非常有限。
发明内容
本发明目的是提供一种应用于教学上，面向学生使用的可靠、操作性强、物理量显示简洁并可根据实验原理改变不同实验参数进行测量的多普勒效应综合实验装置。
本发明提供一种多普勒效应综合实验装置，该装置分成三个部分主机、信号发生控制器、信号采集处理。
所述主机是由速度控制器、轨道、步进电机、皮带轮、皮带、小车、光电门、声源头、信号接收器和机座组成，小车固定在皮带上，机座上步进电机带动皮带轮，小车两轮子在轨道上，机座一侧有电机转速的速度控制器，小车边上装有挡光片，声源头或音频信号接收器固定安装机座一端或小车上，机座上装有用于测速和控制小车停止的光电门。
所述信号发生控制器是一台具有信号频率和幅度可调的频率信号发生器和速度显示、频率显示、小车运动控制、复位功能的仪表，仪表面板上分别有频率，幅度两调节旋钮，数字显示频率值和挡光片经过光电门的时间，仪表背面有频率输出接口，光电门接口和示波器接口，控制接口。
所述信号采集处理，由音频信号接收器，计算机音频输入口和频谱分析软件组成。
本发明信号采集还可以通过微型MP3录音机录制。将录音机放置在小车上面的盒中或机座一端，录音口与声源相对，作为音频信号接收器。
本发明机座上装有三个光电门，中间的为测速光电门，两边的为控制小车停止光电门。
本发明测速光电门的位置可移动改变。小车经过轨道两端的光电门自动停止。声源头和接收器安装位置根据实验内容可互换。
本发明音频信号发生器的信号频率范围在10KHz～20KHz。
本发明的多普勒效应综合实验装置测量方法为按控制按钮步进电机接通电源后小车启动，电机转动带动皮带轮使小乍在机座的轨道上运动，通过速度控制器的调速旋钮调节电机转速来改变小车运动速度，实现小车速度的连续可调并可选择小车作匀速运动或变速运动；测速光电门通过挡光片经过光电门的时间，测量小车经过的时间，计算小车运动速度，光电门的位置可移动改变，时间值在信号发生控制器的显示窗显示；音频信号发生器的信号频率由信号发生控制器的频率调节按钮调节，幅度由幅度调节旋钮调节；频率值在面板上的数字显示窗显示；信号采集的音频信号接收器将收到声源头的声音信号通过导线接入计算机的音频输入口，计算机以文件形式保存，用频谱分析软件对声音文件中静止部分和运动部分的信号分别作频谱分析和数值处理。本发明提供的多普勒效应综合实验装置可实现以下的功能1、小车运动速度可调。
2、小车运动方向可改变。
3、小车可作匀速运动或变速运动。
4、声源和接收头的位置可互换。
5、声源和接收器作相对运动、声源和接收器作非相对运动。
6、音频信号发生器输出频率范围在10KHz～20KHz，不产生噪音并大小可调。
7、测速光电门位置可调。
8、接收到的音频信号由麦克风直接输入计算机保存或通过微型MP3录音机录制保存。
9、通过频谱软件，分析测定小车静止和运动时的频率，验证多普勒效应并计算相应的物理量。
本发明提供的综合物理实验原理及方法根据声波的多谱勒效应公式，当声源与接收器之间有相对运动时，接收器收到的频率f为f＝f0(c+v1cosα1)/(c-v2cosα2)(1)式中f0为声源发射频率，c为声速，v1为接收器运动速率，α1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，v2为声源运动速率，α2为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。
如果α1＝0、α2＝0，则可表示为f＝f0(c+v1)/(c-v2) (2)已知声源频率f0和声速就能根据(2)解出接收器运动速度或声源的运动速度。
已知声源频率f0和接收器运动速度或声源的运动速度就能根据(2)解出声速。
如果v1≠0、α1≠0、v2＝0，则可表示为f＝f0(c+v1cosα1)/c(3)已知声速、声源频率f0和接收器运动速度就能根据(3)解出小车任意时刻运动方向与声源连线之间的夹角的α1。
本发明提供多普勒效应综合实验仪具有以下优点采用步进电机皮带轮结构保证了物体匀速运动的实验验证条件，同时也可实现物体的变速运动，运用多普勒效应测量小车运动任意时刻Δti时的速度，得出小车的运动方程。
本实验装置不需要专门的计算机接口，只需通过计算机的音频输入口，将声音文件录制保存即可，降低了成本。通过频谱分析软件可对录制的音频信号进行分析，分别得到物体静止和运动状态下接收到的信号频率。
本实验装置可做的实验内容丰富，在不同的信号源频率情况下、不同的小车运动速度情况下、小车运动方向不同的情况下、声源和接收器位置互换等情况下、声源和接收器非相对运动情况下均可进行测量，验证理论公式或计算声速和运动物体的速度和建立物体运动方程等。
实验数据可以在线分析处理或先保存之后再做处理，非常灵活方便。仪器上还配有示波器接口，信号也可在示波器上显示。
本发明采用上述实验原理和技术方法构成了一种多普勒效应综合实验装置，该装置在大学物理实验教学中，不仅能研究声波的多谱勒效应现象及验证多谱勒效应公式，而且在信号的数据处理上运用了频谱分析，拓展了学生的知识面可提高物理实验教学质量。
附图1为本发明多普勒效应综合实验装置图1、底座 2、皮带 3、挡光片 4、小车 5、调速旋钮 6、控制按钮 7、小车停止光电门 8、信号发生控制器 9、接收器 10、频率显示窗 11、频率调节旋钮 12、频率幅度调节示 13、时间显示窗 14、测速光电门 15、小车停止光电门 16、声源头附图2 小车速度一定下，f0～f关系图(离开)附图3 小车速度一定下，f0～f关系图(朝向)附图4 声源频率17kHz，v2～f关系图(离开)附图5 声源频率17kHz，v2～f关系图(朝向)附图6 小车运动情况附图7 运动小车的t～f图附图8 小车各时刻速度在连线方向分量大小和方向的变化具体实施方式
实施例1多普勒效应综合实验装置参见附图1，发明多普勒效应综合实验装置由主机、信号发生控制器、信号采集处理三部分组成。
电机转动带动皮带轮使小车4在机座1的轨道上运动。电机和皮带轮固定在机座1上，小车4与皮带2固定，小车4边上装有挡光片3。通过调速旋钮5调节电机转速来改变小车运动速度。光电门14用于测量小车4经过的时间，计算小车4运动速度。光电门14的位置可移动改变，时间值在的时间显示窗13显示，信号发生控制器8的面板上有频率调节旋钮11，幅度调节旋钮12，频率显示窗10，时间显示窗13，信号发生控制器8背面有频率输出接口，光电门接口和示波器接口，控制接口。控制按钮6控制小车启动，轨道两端的光电门7、15为小车停止光电门。音频信号发生器的信号频率由的频率调节旋钮11调节，幅度由幅度调节旋钮12调节。频率值在面板上的频率显示窗10显示。声源头16的安放位置可根据实验内容选择固定在小车4上或机座1一端。音频信号接收器9的安放位置也可根据实验内容选择固定在机座1一端或小车4上。接收器9将收到的声音信号通过导线接入计算机的音频输入口，计算机以文件形式保存。用频谱分析软件对声音文件中静止部分和运动部分的信号分别作频谱分析和数值处理。信号采集还可以通过微型MP3录音机录制。将录音机放置在小车上面的盒中或底座一端，录音口与声源相对，作为音频信号接收器。
多普勒效应综合实验装置测量方法为按控制按钮6小车启动，电机转动带动皮带轮使小车4在机座1的轨道上运动，通过速度控制器的调速旋钮5调节电机转速来改变小车运动速度；测速光电门14通过挡光片3经过光电门的时间，测量小车经过的时间，计算小车运动速度，光电门14的位置可移动改变，小车4经过轨道两端的光电门7、15时自动停止，时间值在信号发生控制器的显示窗13显示；音频信号发生器的信号频率由信号发生控制器的频率调节按钮11调节，幅度由幅度调节旋钮12调节；频率值在面板上的数字显示窗10显示；信号采集的音频信号接收器9将收到声源头16的声音信号通过导线接入计算机的音频输入口，计算机以文件形式保存，用频谱分析软件对声音文件中静止部分和运动部分的信号分别作频谱分析和数值处理。
通过本发明的实验装置能研究声波的多谱勒效应现象及定量测量的方式验证多谱勒效应公式，而且在信号的数据处理上运用了频谱分析原理，增加了实验内容，提高了物理实验的教学质量。
实施例2声源位置固定，接收器跟随小车运动，分别测量运动和静止时接收到的信号频率，研究波的多谱勒效应现象，验证多谱勒效应，并求声速。
数据处理对录制的声音文件通过软件进行频谱分析。分别测得小车静止时和小车运动时接收到的信号频率。小车静止时接收到的信号频率即为声源信号的频率。
声源位置固定v2＝0，接收器跟随小车运动，多谱勒效应公式f=f0(c+v1c)]]>挡光片宽度90.20mm 室温T＝17.7℃理论声速c＝331.45+0.61t＝342.25m/s
参见图2小车速度一定下，f0～f关系图(离开)，图3小车速度一定下，f0～f关系图(朝向)实施例3接收器位置固定，声源跟随小车运动，分别测量小车运动和静止时接收到的信号频率，研究波的多谱勒效应现象，验证多谱勒效应，并求声速。
数据处理对录制的声音文件通过软件进行频谱分析。分别测得小车静止时和小乍运动时接收到的信号频率。小车静止时接收到的信号频率即为声源信号的频率。
接收器位置固定v1＝0，声源跟随小车运动，多谱勒效应公式f=f0(cc-v2)]]>
参见图4声源频率17kHz，v2～f关系图(离开)，图5声源频率17kHz，v2～f关系图(朝向)。从图中曲线可以看出运动速度与接收到频率的关系，符合多谱勒放应公式表示。
实施例4声源和接收器非相对运动，将声源放置在仪器轨道一侧，v2＝0。接收器跟随小车运动，研究波的多谱勒效应现象，根据多谱勒效应分析运动时角度的变化情况。
多谱勒效应公式为f＝f0(c+v1cosα1)/cc＝331.45+0.61t＝342.25m/s参见图6小车运动情况图。
用频谱分析软件连续分析从小车运动开始后的每0.1秒间隔中的信号频率变化。频谱分析文件名Z001.wav v1＝1.179m/s f0＝18005.1Hz
参见图7运动小车的t～f图和图8小车各时刻速度在连线方向分量大小和方向的变化图。
从表中数据分析可以看出，随着小车的向前运动，声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角α1逐渐增大。从图8中也可以看出，v1速度的分量v1逐渐减小，经过α1为90°后，v1′方向改变，并逐渐增大，其结论与图7运动小车的t～f曲线表示一致。
权利要求
1.一种多普勒效应综合实验装置，包括由主机、信号发生控制器及信号采集处理部件组成，其特征是所述主机是由速度控制器、轨道、步进电机、皮带轮、皮带、小车、光电门、声源头、信号接收器和机座组成，小车固定在皮带上，机座上步进电机带动皮带轮，小车两轮子在轨道上，机座一侧有电机转速的速度控制器，小车边上装有挡光片，声源头或音频信号接收器固定安装机座一端或小车上，机座上装有用于测速和控制小车停止的光电门；所述信号发生控制器是一台具有信号频率和幅度可调的频率信号发生器和速度显示、频率显示、小车运动控制、复位功能的仪表，仪表面板上分别有频率，幅度两调节旋钮，频率显示窗和挡光片经过光电门的时间显示窗，仪表背面有频率输出接口，光电门接口和示波器接口，控制接口；所述信号采集处理，由音频信号接收器，计算机音频输入口和频谱分析软件组成。
2.根据权利要求1所述的多普勒效应综合实验装置，其特征是机座上装有三个光电门，中间的为测速光电门(14)，两边的为控制小车停止光电门(7)、(15)。
3.根据权利要求1所述的多普勒效应综合实验装置，其特征是音频信号发生器的信号频率范围在10KHz～20KHz。
4.根据权利要求1所述的多普勒效应综合实验装置，其特征是所述信号采集的音频信号接收器(9)，将录音机放置在小车(4)上面的盒中或机座(1)一端，录音口与声源头(16)相对，作为音频信号接收器。
5.权利要求1所述的多普勒效应综合实验装置测量方法为按控制按钮(6)小车启动，电机转动带动皮带轮使小车(4)在机座(1)的轨道上运动，通过速度控制器的调速旋钮(5)调节电机转速来改变小车运动速度；测速光电门(14)通过挡光片(3)经过光电门的时间，测量小车经过的时间，计算小车运动速度，光电门(14)的位置可移动改变，小车(4)经过轨道两端的光电门(7)、(15)时，自动停止，时间值在信号发生控制器的显示窗(13)显示；音频信号发生器的信号频率由信号发生控制器的频率调节按钮(11)调节，幅度由幅度调节旋钮(12)调节；频率值在面板上的数字显示窗(10)显示；信号采集的音频信号接收器(9)将收到声源头(16)的声音信号通过导线接入计算机的音频输入口，计算机以文件形式保存，用频谱分析软件对声音文件中静止部分和运动部分的信号分别作频谱分析和数值处理。
6.根据权利要求1所述的多普勒效应综合实验装置的应用，多普勒效应综合实验内容有1)声源位置固定，接收器跟随小车运动，v2＝0，多谱勒效应公式f=f0(c+v1c),]]>分别测量运动和静止时接收到的信号频率，研究波的多谱勒效应现象，验证多谱勒效应求声速；2)接收器位置固定，声源跟随小车运动，v1＝0，多谱勒效应公式，f=f0(cc-v2),]]>分别测量小车运动和静止时接收到的信号频率，研究波的多谱勒效应现象，验证多谱勒效应并求声速；3)声源和接收器非相对运动，将声源放置在仪器轨道一侧，接收器跟随小车运动，v2＝0，多谱勒效应公式为f＝f0(c+v1cosα1)/c，研究波的多谱勒效应现象，根据多谱勒效应分析运动时角度的变化情况。
全文摘要
一种多普勒效应综合实验装置，包括由主机、信号发生控制器、信号采集处理部件组成。装置主机是由速度控制器、轨道、步进电机、皮带轮、皮带、小车、光电门、声源头、信号接收器和机座组成。机座一端可固定安装声源头或接收器，一侧装有三个光电门，中间的光电门用于测速，两边的光电门控制小车停止。小车固定在皮带上，小车边上装有挡光片，上面可固定安装声源头或信号接收器。步进电机接通电源后带动皮带轮转动，使小车两轮子在轨道上滚动，通过机座一侧的旋纽控制电机的转速，实现小车速度的连续可调并可选择小车作匀速运动或变速运动。测速光电门的位置可移动改变。小车经过轨道两端的光电门自动停止。声源头和接收器安装位置根据实验内容可互换。本发明提供一种可改变实验条件，定量测量物理量的实验方法和手段，通过频谱分析用于研究波的多谱勒效应现象及验证多谱勒效应的公式，应用于物理实验教学的多普勒效应综合实验装置。
文档编号G09B23/06GK1987958SQ20061015543
公开日2007年6月27日 申请日期2006年12月25日 优先权日2006年12月25日
发明者陈红雨, 乐培界 申请人:浙江大学