一种应用于多普勒效应的实验装置和实现系统的制作方法

本实用新型涉及多普勒效应测试实验技术领域，特别是涉及一种应用于多普勒效应的实验装置和实现系统。

背景技术：

多普勒效应是多普勒博士在1842年发现的一种理论。它显示了一个相对于波源移动的观察者的波动频率。根据物理课堂,多普勒效应的定义是：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高(蓝移blue shift)；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低(红移red shift)；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

多普勒效应在我们的日常生活中很常见。例如，全球定位系统是我们的日常产品，它给我们提供了很多便利，指引我们进入一个新的城市。多普勒效应是应用于GPS的关键理论之一。这颗卫星装有一个信号源，它在轨道上运行时，不断地向地面发射电磁波。地面GPS接收器接收此信号并通过多普勒效应计算接收机的经度、纬度和高度。

现有的教学实验用的多普勒效应的实验装置大多由单一的声源构成，如专利号为CN204965863U，专利名称为“旋转式多普勒效应演示装置”中所公开的演示装置便为在旋转杆上单侧设置蜂鸣器，并配以相应的采集装置和驱动电机来完成演示实验的。现有技术中的这种方式，不仅降低了演示测试的实现效率，而且，会受到实验场景中诸多噪音干扰影响，使得最终的实验演示结果不明显，甚至出现无法直观观察到结果的情况发生。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是现有的多普勒效应演示测试装置中，多采用单侧设置蜂鸣器的结构形式，从而降低了实验数据采集的效率，例如专利号为CN204965863U所提出的技术方案，就需要多次停住演示装置，并且在水平旋棍的不同区域设置蜂鸣器才能实现不同声源运动速度的调整。

本实用新型进一步要解决的技术问题是现有的演示测试装置中，无法有效克服演示环境中存在的各种噪音影响，造成实验结果效果不明显的问题。

本实用新型采用如下技术方案：

一种应用于多普勒效应的实验装置，包括基座1、电机2、传动齿轮组3、旋转杆4、至少两个拥有预设发射频率的声源和第一声波采集器6，具体的：

所述电机2、传动齿轮组3和旋转杆4均设置在所述基座1上，所述旋转杆 4经由所述传动齿轮组3完成与电机2转轴之间的驱动耦合；

所述旋转杆4上设置有至少两个用于布局所述至少两个拥有预设发射频率的声源的固定节点；

所述第一声波采集器6设置在所述基座1一侧，并且所述第一声波采集器6 与所述旋转杆4的旋转平面位于同一水平面或者相临近的水平面；

其中，所述第一声波采集器6设置有数据传输接口，用于将采集到的声波数据发送给智能终端处理。

优选的，所述至少两个拥有预设发射频率的声源，具体为：

工作频率分别为1000Hz-2000Hz的第一蜂鸣器，以及3000Hz-4000Hz的第二蜂鸣器；其中，所述第一蜂鸣器和第二蜂鸣器根据其运动速度和旋转杆4的转速，分别被设置在所述旋转杆4上的相对位置。

优选的，所述装置还包括第二声波采集器7，所述第二声波采集器7设置在所述基座1的另一侧，且相对于所述第一声波采集器6之间为所述声源。

优选的，所述实验装置还包括红外传感器8和开关装置9，具体的：

所述开关装置9与所述第一声波采集器6相连，用于控制所述第一声波采集器6的完成一次采集工作；

所述红外传感器8设置在基座1上，用于检测蜂鸣器进入第一声波采集器6 的采集区域，并驱动所述开关装置9控制所述第一声波采集器6的完成一次采集工作。

优选的，所述实验装置还包括转速传感器10，所述转速传感器10设置在基座上，用于对当前旋转杆4的转速进行检测。

第二方面，本实用新型还提供了一种应用于多普勒效应的实现系统，包括基座1、电机2、传动齿轮组3、旋转杆4、至少两个拥有预设发射频率的声源、第一声波采集器6和智能终端11，具体的：

所述电机2、传动齿轮组3和旋转杆4均设置在所述基座1上，所述旋转杆 4经由所述传动齿轮组3完成与电机2转轴之间的驱动耦合；

所述旋转杆4上设置有至少两个用于布局所述至少两个拥有预设发射频率的声源的固定节点；

所述第一声波采集器6设置在所述基座1一侧，并且所述第一声波采集器6 与所述旋转杆4的旋转平面位于同一水平面或者相临近的水平面；

其中，所述第一声波采集器6与智能终端11相连，用于将采集到的声波数据发送给智能终端11处理，以便所述智能终端11将获取到的采集数据转换为图形显示结构呈现给操作者。

优选的，所述至少两个拥有预设发射频率的声源和第一声波采集器6，具体为：

工作频率分别为1000Hz-2000Hz的第一蜂鸣器，以及3000Hz-4000Hz的第二蜂鸣器；其中，所述第一蜂鸣器和第二蜂鸣器根据其运动速度和旋转杆4的转速，分别被设置在所述旋转杆4上的相对位置。

优选的，所述系统还包括第二声波采集器7，所述第二声波采集器7设置在所述基座1的另一侧，且相对于所述第一声波采集器6之间为所述声源。

优选的，所述实现系统还包括红外传感器8和开关装置9，具体的：

所述开关装置9与所述第一声波采集器6相连，用于控制所述第一声波采集器6的开始工作和停止工作；

所述红外传感器8设置在基座1上，用于检测蜂鸣器进入第一声波采集器6 的采集区域，并驱动所述开关装置9控制所述第一声波采集器6的开始工作。

优选的，所述智能终端11为平板电脑或者PC。

本实用新型提供了一种应用于多普勒效应的实验装置，通过在同一旋转杆上设置至少两个不同频率的声源，从而实现更高效的实验数据采集目的；其中，不同的频率的声源可以设置不同旋转半径的固定节点上，从而保证了一轮旋转实验所能获得有效实验数据的数量。

进一步的，在优选实现方案中，利用同一声源在固定在旋转杆上旋转时，同一时刻相对于第一声波采集器靠近的时候，相对于第二声波采集器便是远离，因此保证了它们两者采集信号做减运算的时候，有效声源采集信号均会被完美的保留，从而实现了实验结果的准确性，提高了实验装置在复杂环境下的实现效果。

进一步的，在优选的实现方案中，进一步针对圆周运动中声源速度相对于声波采集器来说是变化的特性，设定了最优采集点的方式，保证了实验结果的准确性和实现效果的显著性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实验装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实验装置的结构的正视示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实验装置中的旋转杆的结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种改进型的应用于多普勒效应的实验装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种改进型的应用于多普勒效应的实验装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的一种布局结构中最优采集点位置示意图；

图7是本实用新型实施例提供的另一种布局结构中最优采集点位置示意图；

图8是本实用新型实施例提供的另一种改进型应用于多普勒效应的实验装置的结构的正视示意图；

图9是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实现系统的架构示意图；

图10是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实现系统的测试数据的拟合曲线；

图11是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实现系统的另一组测试数据的拟合曲线；

图12是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实现系统的转换后测试数据的拟合曲线；

图13是本实用新型实施例提供的一种应用于多普勒效应的实现系统的另一组转换后测试数据的拟合曲线。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本实用新型实施例1提供了一种应用于多普勒效应的实验装置，如图1和图2所示，包括基座1、电机2、传动齿轮组3、旋转杆4、至少两个拥有预设发射频率的声源(如图1所示以声源数量表现为2个为例，分别被标注为51和 52)和第一声波采集器6，具体的：

所述电机2、传动齿轮组3和旋转杆4均设置在所述基座1上，所述旋转杆4经由所述传动齿轮组3完成与电机2转轴之间的驱动耦合；其中，设置所述传动齿轮组3也是为了能够在电机2仅能提供单一转速的情况下，为旋转杆4提供尽可能多的转速配置组合。

在具体实验装置中，如图1所示的齿轮组可以被制作成黑箱(例如制作成一方盒)，仅位于旋转杆4转轴上的耦合齿轮31和位于电机2转轴上的耦合齿轮32上设置耦合接口，实验过程中可以选择不同齿轮传动比例的黑箱，实现同一电机下的旋转杆4的不同转速目的。其中，齿轮组黑箱可以通过如图1所示的基座1上的支撑杆11和支撑杆12完成固定，在此不再赘述。

所述旋转杆4上设置有至少两个用于布局所述至少两个拥有预设发射频率的声源的固定节点；如图3所示，其中固定节点41按照预设的间距设置在所述旋转杆4上方，而相应的声源则根据其运动速度要求和旋转杆4的转速选择相应的固定节点41完成声源的固定。

所述第一声波采集器6设置在所述基座1一侧，并且所述第一声波采集器6 与所述旋转杆4的旋转平面位于同一水平面或者相临近的水平面；其中，同一水平面能够保证声源的运动相对于第一声波采集器6所形成的多普勒效应是最明显的，而第一声波采集器6相对于所述旋转杆4的旋转平面出现设置位置偏移(即位于所述相临近的水平面)都会带来相对运动速度上的削弱，从而影响了多普勒效应实验结果的明显性。

其中，所述声波采集器可以是一般的麦克风，也可以采用更为专业、具有更高精准的音频采集设备。

其中，所述第一声波采集器6设置有数据传输接口，用于将采集到的声波数据发送给智能终端处理。所述智能终端在本实用新型实现中，优选的是采用 PC，例如台式机或者笔记本电脑，除此以外，也可以采用安装有专业声波采集器分析软件的智能手机，在此不再赘述。

本实用新型提供了一种应用于多普勒效应的实验装置，通过在同一旋转杆上设置至少两个不同频率的声源，从而实现更高效的实验数据采集目的；其中，不同的频率的声源可以设置不同旋转半径的固定节点上，从而保证了一轮旋转实验所能获得有效实验数据的数量。

结合本实用新型实施例，对于预设发射频率的声源具体为两个的实例场景，提供了一组优选的声源组合，具体为：

工作频率分别为1000Hz-2000Hz的第一蜂鸣器51，以及3000Hz-4000Hz的第二蜂鸣器52；其中，所述第一蜂鸣器51和第二蜂鸣器52根据其运动速度和旋转杆4的转速，分别被设置在所述旋转杆4上的相对位置。其中，所述相对位置即如图3所示的相应固定节点41上。其中，在实际操作过程中，第一蜂鸣器51和第二蜂鸣器52的发生频率之间并非如上述所述需要相差1000Hz以上，但是，相差的频率越大则对于检测结果中相互之间发生干扰的影响因素越小。在需要同时布局的声源个数进一步增加时，则可以根据多普勒效应所能产生的每一个声源的波段覆盖范围，选择不同的中心频段的声源，是的各声源在多普勒效应所能产生的波段覆盖范围之间相差预设距离，此处的预设距离是根据第一声波采集器6的采集精度确定，即能够保证第一声波采集器6不会发生声源之间采集信号发生混淆为宜。

在具体实验场景中，总是无法避免会存在噪音干扰，因此，为了进一步提高实验的准确度，结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，具体的如图4所示，所述装置还包括第二声波采集器7，所述第二声波采集器7设置在所述基座1的另一侧，且相对于所述第一声波采集器6之间为所述声源(如图1中所示的51和52)。在具体操作过程中，针对第一声波采集器6和第二声波采集器7所采集到的信号会预先做一道减运算，从而将其中共同存在的噪音信号剔除掉，由于同一声源在固定在旋转杆4上旋转时，同一时刻相对于第一声波采集器6靠近的时候，相对于第二声波采集器7便是远离，因此保证了它们两者采集信号做减运算的时候，有效声源采集信号均会被完美的保留，从而实现了实验结果的准确性，提高了实验装置在复杂环境下的实现效果。

本实用新型所提出的实验装置中，声源采用的是一种圆周运动，因此，相对于固定的第一声波采集装置6和/或第二声波采集装置7来说，声源51或者声源52的线性运动速度是变化的，因此，为了进一步提高实现效果的准确度，结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案即，所述实验装置还包括红外传感器8和开关装置9，如图5所示，具体的：

所述开关装置9与所述第一声波采集器6相连，用于控制所述第一声波采集器6的完成一次采集工作；

所述红外传感器8设置在基座1上，用于检测蜂鸣器进入第一声波采集器6 的采集区域，并驱动所述开关装置9控制所述第一声波采集器6的完成一次采集工作。其中，所述采集区域优选的是在所述声源经过其运动轨迹圆周上相对于第一声波采集装置6的最上端或者最下端附近区域进行采集，因为，此时，声源相对于第一声波采集装置6来说的相对靠近速度或者相对远离速度是最大的，有利于实验结果的更好呈现。如图6和图7所示，为本实用新型实施例所提供的几种可能的布局方式中典型的两种布局方式，其中，所述相对靠近速度和相对远离速度是最大的点51和52分别是根据第一声波采集设备6的采集点和声源运动轨迹中心点连线L，过声源运动轨迹中心点做所述连线L的垂线，并与所述声源运动轨迹相交的两个点，变为所述相对靠近速度和相对远离速度是最大的点51和52；而相对应的采集区域，如图6或者图7中所示的标注为56 和57区域，可以是以所述点51和52位中心做的角度小于15°的扇形区域，在此区域内声源的线性速度变化不会发生太大，因此，对于检测精准度不会产生实质性影响。

在具体实现过程中，仅依靠电机2的转速和传动齿轮组3的齿轮比作为已知量，计算出旋转杆4的转速是会存在计算误差的，因为电机2的工作电压的不稳，以及齿轮的磨损等等原因都可能造成实际转速与计算结果上存在差距，因此，结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，具体如图8所示，所述实验装置还包括转速传感器10，所述转速传感器10设置在基座上，用于对当前旋转杆4的转速进行检测。图8中，给予了一种实现方式，即将所述转速传感器10固定在轴承附近，并且，在轴承上设置具有通孔的转盘，从而利用红外反射的原理，转速传感器10向转盘发射红外信号，并且，以每两次未检测到有效返回信号作为旋转杆4完成一圈转动的检测结果，从而计算出旋转杆4的实时转速。

实施例2：

在提供了如实施例1所述的一种应用于多普勒效应的实验装置后，本实用新型实施例还提供了一种应用于多普勒效应的实现系统，如图9所示，包括基座1、电机2、传动齿轮组3、旋转杆4、至少两个拥有预设发射频率的声源、第一声波采集器6和智能终端11，具体的：

所述电机2、传动齿轮组3和旋转杆4均设置在所述基座1上，所述旋转杆 4经由所述传动齿轮组3完成与电机2转轴之间的驱动耦合；

所述旋转杆4上设置有至少两个用于布局所述至少两个拥有预设发射频率的声源的固定节点；

所述第一声波采集器6设置在所述基座1一侧，并且所述第一声波采集器6 与所述旋转杆4的旋转平面位于同一水平面或者相临近的水平面；

其中，所述第一声波采集器6与智能终端相连，用于将采集到的声波数据发送给智能终端处理，以便所述智能终端将获取到的采集数据转换为图形显示结构呈现给操作者。

本实用新型提供了一种应用于多普勒效应的实验装置，通过在同一旋转杆上设置至少两个不同频率的声源，从而实现更高效的实验数据采集目的。并且，通过智能终端配合完成实验结果的图形呈现，提高了实施例1所述的实验装置的实用性。

结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，所述至少两个拥有预设发射频率的声源和第一声波采集器6，具体为：

工作频率分别为1000Hz-2000Hz的第一蜂鸣器，以及3000Hz-4000Hz的第二蜂鸣器；其中，所述第一蜂鸣器和第二蜂鸣器根据其运动速度和旋转杆4的转速，分别被设置在所述旋转杆4上的相对位置。

结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，所述装置还包括第二声波采集器7，所述第二声波采集器7设置在所述基座1的另一侧，且相对于所述第一声波采集器6之间为所述声源。

结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，所述实验装置还包括红外传感器8和开关装置9，具体的：

所述开关装置9与所述第一声波采集器6相连，用于控制所述第一声波采集器6的开始工作和停止工作；

所述红外传感器8设置在基座1上，用于检测蜂鸣器进入第一声波采集器6 的采集区域，并驱动所述开关装置9控制所述第一声波采集器6的开始工作。

由于本实用新型实施例所提出的实现系统是基于实施例1中所述的实验装置实现的，因此，在实施例1中所阐述的相关扩展方案同样适用于本实用新型实施例，在此不再赘述。

实施例3：

本实用新型实施例3还提供了一组实验数据以论证本实用新型所提出的如实施例2所述的系统的实用性。其中，第二蜂鸣器的中心频率为3255Hz，在本实施例中仅以呈现第二蜂鸣器的实验数据作为举例，如下表所示，

为本实用新型实施例所采用的3组声源运动速度下，在进行靠近声波采集器6运动过程中，对应声波采集器6所采集的频率结果；其中，声源的速度计算过程如下：

V1＝D÷360°÷t×2r＝13882°÷360°÷7s×0.43m＝4.74m/s

V2＝D÷360°÷t×2r＝12877°÷360°÷7s×0.43m＝4.05m/s

V3＝D÷360°÷t×2r＝10373°÷360°÷7s×0.43m＝3.54m/s

其中，D是声源在t时间内的旋转总的角度数，可知，此时转速传感器10 并非采用如实施例1所述的使用红外原理完成的，而是采用一种直接采集旋转杆4的转轴旋转角度的方式实现转速的计算。其中，因为V1、V2和V3是声源关于麦克风相对位置除以时间，并不是计算声源走过的总路程除以时间，因此并没有使用圆周周长2πr来计算其路程，而是采用2r计算相对距离。

如图10所示，为根据三组数据得到的平均值拟合得到的声源运动速度与频率之间的关系曲线，图10中从左到右的三个采集点分别对应速度和频率组合 (v-f)，即3.54m/s-3299Hz、4.05m/s-3310Hz和4.74m/s-3320Hz。

如下表所示：

为本实用新型实施例所采用的3组声源运动速度下，在进行靠近声波采集器6运动过程中，对应声波采集器6所采集的频率结果；其中，声源的速度计算过程与上述相同，在此不再赘述。

如图11所示，为根据三组数据得到的平均值拟合得到的声源运动速度与频率之间的关系曲线，图11中从左到右的三个采集点分别对应速度和频率组合 (v-f)，即3.54m/s-3230Hz、4.05m/s-3216Hz和4.74m/s-3204Hz。

如下表和图12所示，为将图10所示的声源靠近声波采集器6的采集数据以V0-Vs的方式(其中，V0具体为声波的初始速度340m/s，Vs具体表现为上述 V1、V2和V3)转换到真实声波速度与频率之间的拟合曲线；

而下表和图13则是将图11所示的声源原理声波采集器6的采集数据，以 V0+Vs的范式转换到真实声波速度与频率之间的拟合曲线。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。