多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀說明書(第3版修訂08.3.5)

1、 多普勒效應(yīng)的研究和應(yīng)用（附：DH-DPL系列多普勒效應(yīng)及聲速綜合實驗儀使用說明書）聲速的多途徑綜合測量實驗講義杭州大華科教儀器研究所杭州大華儀器制造有限公司一、概述對于機(jī)械波、聲波、光波和電磁波而言，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(dá)，多普勒彩色超聲診斷儀等。二、實驗原理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

2、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(dá)式為： （1-1） 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：可見接收器接收到的頻率變?yōu)樵瓉淼? 即: （1-3） 聲源、介質(zhì)不動，接收器運動速度為，同理可得接收器接收到的頻率: （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)。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

3、收到的頻率: （1-5） 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)。可見若聲源和接收器不動，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f =-f，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

4、 超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)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2060kHz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。圖1 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡圖。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。 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

5、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），并且只產(chǎn)生一次反射。在上述假設(shè)條件下，發(fā)射波1=A1cos（t+2x/)。在S2處產(chǎn)生反射，反射波2=A2cos（t-2x/)，信號相位與1相反，幅度A2A1。1與2在反射平面相交疊加，合成波束33=1+2=A1cos（t+2x/) + A2cos（t-2x/) = A1cos（t+2x/) +A1cos（t-2x/)+（A2-A1）cos（t-2x/)=2A1cos(2x/)cost+（A2-A1）cos（t-2x/)由此可見，合成后的波束3在幅度上，具有隨cos(2x/)呈周期變化的特性，在相位上，具有隨(2x/

6、)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（A2-A1）cos（t-2x/)變化。圖2所示波形顯示了疊加后的聲波幅度，隨距離按cos(2x/)變化的特征。實驗裝置按圖7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

7、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/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/2；換能器2移動過的距離亦為/2。超聲換能器2至1之間的距離的改變可通過

8、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。圖2 換能器間距與合成幅度在連續(xù)多次測量相隔半波長的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運用測量數(shù)據(jù)計算出聲速，用逐差法處理測量的數(shù)據(jù)。 相位法測量原理圖3 用李薩如圖觀察相位變化由前述可知入射波1與反射波2疊加，形成波束3=2A1cos(2x/)cost+（A2-A1）cos（t-2x/)相對于發(fā)射波束：1=Acos（t+2x/)來說，在經(jīng)過x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為=2x/。由此可見，在經(jīng)過x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為=2x/，如圖3所示。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察測出聲波的波長

9、。 時差法測量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過t時間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運動定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：速度V=距離L/時間t圖4 發(fā)射波與接收波通過測量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時間t，就可以計算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。三、實驗內(nèi)容1、測量超聲接收換能器的運動速度與接收頻率的關(guān)系，驗證多普勒效應(yīng)。2、用步進(jìn)電機(jī)控制超聲換能器的運動速度，通過測頻求出空氣中的聲速。3、將超聲換能器作為速度傳感器，用于研究勻速直線運動，勻加（減）速直線運動，簡諧振動等。4、在直射式和反射式兩種情況下，用時差法測量空氣中的聲速。5

10、、在直射式方式下，用相位法和駐波法測量空氣中的聲速。6、設(shè)計性實驗：用多普勒效應(yīng)測量運動物體的未知速度。7、設(shè)計性實驗：利用超聲波測量物體的位置及移動距離。四、實驗步驟把測試架上收發(fā)換能器(固定的換能器為發(fā)射，運動的換能器為接受)及光電門I連在實驗儀上的相應(yīng)插座上,實驗儀上的“發(fā)射波形”及“接收波形”與普通雙路示波器相接,將“發(fā)射強(qiáng)度”及“接收增益”調(diào)到最大；將測試架上的光電門II、限位及電機(jī)控制接口與智能運動控制系統(tǒng)相應(yīng)接口相連；將智能運動控制系統(tǒng)“電源輸入”接實驗儀的“電源輸出”。開機(jī)后可進(jìn)行下面的實驗。1、驗證多普勒效應(yīng)進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實驗”畫面后，先“設(shè)置源頻率”,用“”“”增減信號頻

11、率，一次變化10Hz，同時觀察示波器的波形，當(dāng)接收波幅達(dá)最大時，源頻率即已設(shè)好。接著轉(zhuǎn)入“瞬時測量”，確保小車在兩限位光電門之間后，開啟智能運動控制系統(tǒng)電源，設(shè)置勻速運動的速度，使小車運動，測量完畢后，可得到過光電門時的信號頻率,多普勒頻移及小車運動速度。改變小車速度，反復(fù)多次測量，可作出或關(guān)系曲線。改變小車的運動方向，再改變小車速度，反復(fù)多次測量，作出或關(guān)系曲線。然后轉(zhuǎn)入“動態(tài)測量”，記下不同速度時換能器的接受頻率變化值。注意：動態(tài)測量僅限于小車運動速度較低時。改變小車速度，反復(fù)多次測量，可作出或關(guān)系曲線。改變小車的運動方向，再改變小車速度，反復(fù)多次測量，作出或關(guān)系曲線。動態(tài)法可更直觀的驗證

12、多普勒效應(yīng)。2、用多普勒效應(yīng)測聲速測量步驟和1相同，只是轉(zhuǎn)入“動態(tài)測量”或“瞬時測量”，小車運動速度由智能運動控制系統(tǒng)確定，頻率由“動態(tài)測量”或“瞬時測量”確定,因而可由1-4式求出聲速。進(jìn)行多次測量后，求出聲速的平均值，并與由時差法測出聲速作比較。3、研究物體的運動狀態(tài)將超聲換能器用作速度傳感器，可進(jìn)行勻速直線運動，勻加（減）直線運動，簡諧振動等實驗。這時應(yīng)進(jìn)入“變速運動實驗”，設(shè)置好采樣點數(shù)，采樣步距后,“開始測量”，測量完后顯示出結(jié)果。進(jìn)行運動實驗時，除了用智能運動系統(tǒng)控制的小車外，還可換用手動小車，這時注意應(yīng)該推動小車系統(tǒng)的底部使小車運動，并且不能用力過大、過猛。4、用時差法測空氣中的

13、聲速可在直射式和反射式兩種方式下進(jìn)行，進(jìn)入“時差法測聲速”畫面，這時超聲發(fā)射換能器發(fā)出75s寬（填充3個脈沖），周期為30ms的脈沖波。在直射方式下，接收換能器接收直達(dá)波，在反射方式下接收由反射面來的反射波，這時顯示一個t值：t1；用步進(jìn)電機(jī)或用手移動小車（注意：手動移動小車時候，最好通過轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動，以減小實驗誤差）,或改變反射面的位置，再得到一個t值：t2，從而算出聲速值,，其中x為小車移動的距離（可以直接從標(biāo)尺上讀出或參考控制器中顯示的距離）或為反射法時前后兩次經(jīng)過反射面的聲程差。 注意：按照圖4所示的時差法測量原理，時間t為發(fā)射波到接收波的第一個波峰之間時間；在

14、移動 x的過程中，只要t的變化是連續(xù)的，測量誤差最小。 圖5 反射法測聲速 圖6 接收波形 反射法測量聲速時候，反射屏要遠(yuǎn)離兩換能器，調(diào)整兩換能器之間的距離、兩換能器和反射屏之間的夾角以及垂直距離L，如圖5所示，使數(shù)字示波器（雙蹤，由脈沖波觸發(fā)）接收到穩(wěn)定波形；利用數(shù)字示波器觀察波形，通過調(diào)節(jié)示波器使接受波形的某一波頭bn的波峰處在一個容易辨識的時間軸位置上，然后向前或向后水平調(diào)節(jié)反射屏的位置，使移動L，記下此時示波器中先前那個波頭bn在時間軸上移動的時間t，如圖6所示，從而得出聲速值,。用數(shù)字示波器測量時間同樣適用于直射式測量，而且可以使測量范圍增大。重復(fù)上述實驗，得到多個聲速值，最后求出聲

15、速的平均值，再與多普勒效應(yīng)得到的聲速值及如下的理論值相比較：（m/s）其中t為室溫，單位為。5、用駐波法和相位法測定空氣中聲速這時應(yīng)進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實驗”畫面，設(shè)置源頻率，同時用示波器觀察波形，應(yīng)使接收波幅達(dá)到最大值。通過轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動來改變換能器位置。用駐波法測量時，逐漸移動小車的距離，同時觀察接收波的幅值，找出相鄰兩個振幅最大值（或最小值）之間的距離差，此距離差為/2，為聲波的波長。通過和聲波的頻率f即可算出聲速：=f。用相位法測量時，在示波器的xy方式下觀察反射波和接收波的李薩如圖形，調(diào)節(jié)小車位置，觀察到一斜線，再慢慢向一個方向移動小車，觀察到同一方向的斜線時，記下

16、距離差，此距離差即聲波波長，已知聲波頻率f即可算出聲速=f。6、設(shè)計性實驗：用多普勒效應(yīng)測量運動物體的未知速度。請實驗者根據(jù)前面實驗內(nèi)容1結(jié)果，結(jié)合智能運動系統(tǒng)，設(shè)計一個用多普勒效應(yīng)測量運動物體的未知速度的實驗方案，包括原理、步驟和結(jié)果等。*7、設(shè)計性實驗：利用超聲波測量物體的位置及移動距離。請實驗者根據(jù)前面實驗內(nèi)容4中關(guān)于時差法測聲速的原理，結(jié)合智能運動控制系統(tǒng)及導(dǎo)軌標(biāo)尺，設(shè)計一個用超聲波測量物體的位置及移動距離的實驗方案，包括原理、步驟、系統(tǒng)誤差的處理和結(jié)果等。參考資料：1. 現(xiàn)代聲學(xué)理論基礎(chǔ) 馬大猷, 科學(xué)出版社，2004。2SV-DH系列聲速測定儀使用說明書 杭州大華儀器制造有限公司D

17、H-DPL系列多普勒效應(yīng)及聲速綜合實驗儀使用說明多普勒效應(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(dá)、多普勒彩色超聲診斷儀等。本儀器用超聲波來研究多普勒效應(yīng)。用電磁波和聲波研究多普勒效應(yīng)的原理是相同的，但由于超聲波的波長較電磁波要小得多，所以在較低的運動速度下也有明顯的多普勒效應(yīng)，這就非常有利于物理實驗中對多普勒效應(yīng)進(jìn)行研究。另外，本儀器還能對超聲波在空氣中的傳播速度進(jìn)行多種途徑的測量：駐波法、相位法、時差法和多普勒效應(yīng)法測量聲速。一、儀器型號及功能DH-DPL系列多普勒效應(yīng)及聲速綜合實驗儀由以下幾種：1、DH-DPL1型多普勒效應(yīng)

18、及聲速綜合實驗儀由多普勒效應(yīng)實驗和聲速測量兩大塊組成，能做以下實驗：a、測量運動速度與頻率的關(guān)系，驗證多普勒效應(yīng)；b、設(shè)計性實驗：用多普勒效應(yīng)測量運動物體的未知速度；c、用多普勒效應(yīng)研究勻速直線運動，勻加（減）速直線運動，簡諧振動等；d、用多普勒效應(yīng)測量空氣中的聲速；e、用駐波法測量空氣中的聲速；f、用相位法測量空氣中的聲速，測量角度可變；g、在直射式情況下，用時差法測量空氣中的聲速；h、設(shè)計性實驗：利用超聲波測量距離2、DH-DPL2型多普勒效應(yīng)及聲速綜合實驗儀與DH-DPL1相比，加入了反射式時差法測量聲速的功能；二、儀器主要技術(shù)參數(shù)1、功率信號源：a信號頻率：20kHz50kHz，步進(jìn)值

19、10Hz，頻率穩(wěn)定度：<0.1Hz；b最大輸出電壓：連續(xù)波4Vp-p，脈沖波7Vp-p；c脈沖波寬度：75s，周期：30ms；2、智能運動控制系統(tǒng)參數(shù)：a步進(jìn)電機(jī)：供電電壓2.77V，額定電流1.68A，最大轉(zhuǎn)矩4.4kg·cm；b運動速度：直線勻速運動0.0590.475m/s可調(diào)，誤差±0.002m/s；直線變速運動00.475m/s變化,提供七條變速曲線；可正反方向運行； c 最小步進(jìn)距離L設(shè)定范圍：0.050.3mm； d 運行距離D顯示范圍：勻速運動模式0999.99mm，誤差±2L； 變速運動模式099999mm，誤差±2L； e 限位

20、保護(hù)：光電門限位，行程開關(guān)限位； 3、多普勒頻移：050Hz；4、系統(tǒng)測頻精度：±1Hz；5、系統(tǒng)測速精度：±0.002m/s；6、時差法準(zhǔn)確測量范圍：0300mm；用數(shù)字示波器測量：范圍300 mm；7、時差法、相位法、駐波法以及多普勒效應(yīng)法測量聲速精度：<3%；8、換能器諧振頻率：37±2kHz；9、換能器旋轉(zhuǎn)角度：0180度；三、儀器構(gòu)成及說明本儀器由實驗儀、智能運動控制系統(tǒng)和測試架三個部份組成。實驗儀由信號發(fā)生器和接收器、功率放大器、微處理器，液晶顯示器等組成。智能運動控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)控制模塊，單片機(jī)系統(tǒng)組成，用于控制載有接收換能器的小車的速

21、度。測試架由底座、超聲發(fā)射換能器、導(dǎo)軌、載有超聲接收器的小車、步進(jìn)電機(jī)、傳動系統(tǒng)、光電門等組成。圖7 主測試儀面板圖 圖8 智能運動控制系統(tǒng)面板圖在驗證多普勒效應(yīng)和直射式測聲速時，超聲發(fā)射器和接收器面對面平行對準(zhǔn)；在反射式測量時，超聲發(fā)射器和接收器應(yīng)轉(zhuǎn)一定的角度，使入射角度近似等于反射角。1、發(fā)射換能器 2、接收換能器 3、5 左右限位保護(hù)光電門4、測速光電門 6、接收線支撐桿 7、小車 8、游標(biāo) 9、同步帶10、標(biāo)尺 11、滾花帽 12、底座 13、復(fù)位開關(guān) 14、步進(jìn)電機(jī) 15、電機(jī)開關(guān) 16、電機(jī)控制 17、限位 18、光電門II 19、光電門I20、左行程開關(guān) 21、右行程開關(guān) 22、

22、行程撞塊 23、擋光板 24、運動導(dǎo)軌 圖9 運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖10 線路連接示意圖各部分的使用情況如下：1、實驗儀主畫面開機(jī)時或按復(fù)位鍵時顯示：“歡迎使用多普勒效應(yīng)及聲速綜合實驗儀”。按“確認(rèn)”鍵（即中心鍵）后顯示主菜單：“時差法測聲速”“多普勒效應(yīng)實驗”“變速運動實驗”“數(shù)據(jù)查詢”按“”“”鍵選擇不同的任務(wù)，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)入以下各任務(wù)：“時差法測聲速”：“時間差t: xxxs”“返回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“多普勒效應(yīng)實驗”：“設(shè)置源頻率”：“”“”增減信號頻率，一次變化10Hz；“瞬時測量”：測過光電門時的平均頻率及平均速度；“動態(tài)測量”：不用光電門測得的動態(tài)頻率（頻率計）；“返

23、回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“變速運動實驗”： “采樣點數(shù)”160，用“”“”增減，一次變化1； “采樣步距”65ms，用“”“”增減，一次變化1ms；“開始測量”：進(jìn)入測量狀態(tài)，測量完后顯示結(jié)果“f-t”、“數(shù)據(jù)”、“存儲”、“返回”；按“”“”鍵進(jìn)入相關(guān)功能；若要對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，先選擇該功能，按下“確認(rèn)”后將顯示“存儲組別：x”，用“”“”增減改變組別x，然后按下“確認(rèn)”后將顯示“已存儲到組x”，并自動回到原操作界面；“返回” “數(shù)據(jù)查詢”： “變速運動數(shù)據(jù)組別：x”用“”“”鍵增減改變要查詢的組別x，按下“確認(rèn)”后顯示相關(guān)信息“f-t”、“數(shù)據(jù)”、“存儲”、“返回”，按“”“”鍵切換

24、到相關(guān)功能； ！說明：瞬時測量時，信號源測速可能會與智能運動控制系統(tǒng)給定的速度存在較大誤差，原因是擋光板加工誤差造成。 軟件設(shè)計采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)：S1=4mm,S2=90mm,S3=4mm，V正=L1/t1，V反=L2/t2。實際的L1=S1+S2，L2=S3+S3并非標(biāo)準(zhǔn)，t1和t2為標(biāo)準(zhǔn)測量值，所以需要用游標(biāo)卡尺測量S1，S2，S3，然后計算出實際的V正、V反。2、智能運動控制系統(tǒng)用于控制小車的啟、停及小車作勻速運動的速度。此外，內(nèi)建了七種變速運動模式：從零加速，后減速到零；再反向從零加速，后減速到零不停循環(huán)。為了防止小車運動時發(fā)生意外，設(shè)計有小車限位功能，該功能由光電門限位和行程開關(guān)控制組成

25、。當(dāng)小車運動到導(dǎo)軌兩側(cè)的限位光電門處時，根據(jù)不同的運行方式，小車會自行停止運行或反向運行；當(dāng)因誤操作致使小車越限光電門后，會觸發(fā)行程開關(guān)，使系統(tǒng)復(fù)位停車，此時小車被鎖住，需要切斷測試架上的電機(jī)開關(guān)按鈕，移動小車到導(dǎo)軌中央位置后再接通電機(jī)開關(guān)按鈕，接著按一下復(fù)位開關(guān)即可。注意：為了保證電機(jī)運動狀態(tài)的準(zhǔn)確性，開啟電源時必須確保小車起始位置在兩限位光電門之間。（1）在勻速運動模式下，即顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s（“-”表示方向為負(fù)），單擊鍵，進(jìn)入速度設(shè)定模式，顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s，并且高位“0”處于閃爍狀態(tài)；這時再按鍵（速度增加）或鍵（速度減?。﹣韺?/p>

26、速度的大小進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定好后再單擊鍵進(jìn)行確定即可。速度顯示誤差為：±0.002m/s。此速度可以當(dāng)成已經(jīng)確定的物理量，也可以用外部測速裝置來測量。（2）單擊啟動/停止控制鍵，將使電機(jī)加速啟動到設(shè)定速度或從設(shè)定速度減速到停止運行（為了防止步進(jìn)電機(jī)的失步和過沖現(xiàn)象，需加速啟動和減速停止）。此鍵在小車運行時才有效。（3）在電機(jī)停止時單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運行方向?qū)淖?。需要注意的是，?dāng)電機(jī)運行到導(dǎo)軌兩側(cè)的限定位置而停止時，只有按此鍵改變電機(jī)運行方向才可反向運行。（4）在速度設(shè)定完畢，即顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時，單擊上鍵將顯示上次電機(jī)運行

27、的距離D，顯示為XXX.XXmm用于時差法測聲速，再次單擊此鍵將停止查看，恢復(fù)原來速度顯示數(shù)。在查看的過程中，其它鍵盤將失效。（5）在速度設(shè)定完畢，單擊下鍵將進(jìn)入最小步進(jìn)距離L設(shè)定,顯示L0.XXX mm，并且最低位開始閃爍；此時按加鍵（加1）或減鍵（減1）來對該位的大小進(jìn)行設(shè)定；再次單擊下鍵，向左移位閃爍，再按加鍵（加1）或減鍵（減1）來對該閃爍位的大小進(jìn)行設(shè)定依次對各位進(jìn)行設(shè)定，繼續(xù)單擊下鍵，直到自動顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時，表示設(shè)定完畢。最大步進(jìn)距離可設(shè)定到0.300mm，最小為0.050mm，初始設(shè)定值為0.102mm，具體設(shè)定方法見速度設(shè)定說明。（6）在速度

28、設(shè)定完畢后，按下鍵不放，直到數(shù)碼管顯示ACCX或-ACCX時再釋放，即可進(jìn)入變速運動模式；再次按鍵不放直到顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時將返回原來勻速運動模式。（7）在變速運動模式下，當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時，單擊下鍵將改變速度曲線，總共有7條先加速再減速曲線（速度都是從0.000m/s加速到系統(tǒng)速度所能設(shè)定的最大值（0.475m/s）然后再減速停止），顯示ACCX或-ACCX，X為17。（8）速度曲線選擇好后，單擊啟動/停止控制鍵將啟動變速運行曲線，運行的過程中將顯示瞬時速度0.XXXm/s或-0.XXXm/s，反映瞬時速度的大小和方向變化。運動過程中再次單擊啟動/停止控制鍵

29、將停止運行變速曲線，顯示ACCX或-ACCX，X為17。（9）在變速運動模式下，當(dāng)電機(jī)不運行時，單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，變速運動速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運行方向?qū)淖?。?0）當(dāng)變速運動停止時顯示ACCX或-ACCX，單擊鍵將顯示上次變速運行的距離D，當(dāng)0mm<D<1000mm時顯示XXX.XX mm；當(dāng)1000mm<D<10000mm時顯示XXXX.X mm；10000mm<D<100000mm時顯示XXXXX mm。3、速度設(shè)定說明：（1）啟動電機(jī)開始運行時，要先將固定接收換能器的小車置于導(dǎo)軌中間，即兩個限位光電門之間的位置，然后按一下控制器后面的復(fù)位

30、鍵或測試架上面的復(fù)位鍵即可做實驗，若運動模式切換，需再重復(fù)上面操作，確保初始運動狀態(tài)正確。在勻速運動模式下，限位停車后，要按鍵改變電機(jī)運行方向后方可再按鍵啟動運行；在變速運動模式下，到限位位置后，電機(jī)運行方向?qū)⒆詣痈淖兦依^續(xù)運行，按啟動/停止鍵才可停止運行。若小車越限觸發(fā)行程開關(guān)后，小車將停車，此時小車被鎖住，需要切斷測試架上的電機(jī)開關(guān)按鈕，移動小車到導(dǎo)軌中央位置后再接通電機(jī)開關(guān)按鈕，接著按一下復(fù)位開關(guān)即可。（2）7條加速曲線都是先從0加速到最大速度V，然后再減速到0；然后反向再從0加速到最大速度V，再減速到0變速運行的距離可以查看。（3）通過外部測距來校對設(shè)定電機(jī)最小步進(jìn)距離L。先設(shè)定一個速

31、度，使電機(jī)勻速運行，運行一段距離后停車，記下控制器中顯示的運行距離D和小車實際運行的距離S（從標(biāo)尺上讀出）。由于步進(jìn)電機(jī)運行的步數(shù)一定，設(shè)原最小步進(jìn)為L,需設(shè)定的最小步進(jìn)為LS，則有D/L=S/LS。把計算出的LS值設(shè)入系統(tǒng)，那么下次運行距離顯示值即為實際測量值。本系統(tǒng)已預(yù)置一個參考值L=0.102mm，可以通過多次實驗設(shè)定該值。四、儀器成套性1、220V電源線 1根2、Q9線 2根3、大4芯信號線 2根4、小4芯信號線 1根5、小3芯信號線 1根6、小2芯信號線 1根7、主實驗儀 1臺8、智能運動控制系統(tǒng) 1臺9、實驗測試架 1套10、使用說明書（講義） 1份11、產(chǎn)品合格證 1份12、保險

32、絲（0.5A） 2只五、維護(hù)保養(yǎng)和注意事項1、使用時，應(yīng)避免信號源的功率輸出端短路。2、注意儀器部件的正確安裝、線路正確連接。3、儀器的運動部分是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的精密系統(tǒng)，嚴(yán)禁運行過程中人為阻礙小車的運動。4、注意避免傳動系統(tǒng)的同步帶受外力拉伸或人為損壞。5、小車不允許在導(dǎo)軌兩側(cè)的限位位置外側(cè)運行，意外觸發(fā)行程開關(guān)后要先切斷測試架上的電機(jī)開關(guān)，接著把小車移動到導(dǎo)軌中央位置后再接通電機(jī)開關(guān)并且按一下復(fù)位鍵即可。6、購買本產(chǎn)品的顧客，從發(fā)貨之日起1年內(nèi)，由于儀器設(shè)計、制造過程中產(chǎn)生的質(zhì)量問題或者引起的故障，本公司負(fù)責(zé)免費維修。超過保修期，本公司提供儀器的維修和技術(shù)服務(wù)。 附錄3 實驗舉例（數(shù)據(jù)僅供

33、指導(dǎo)老師參考）一、時差法測量聲速例1：直射法測量，室溫26.3，換能器諧振頻率f=37730Hz。實驗步驟：1、按圖8接線。2、把載接受換能器的小車移動到導(dǎo)軌最右端（移動時可以關(guān)閉智能運動控制系統(tǒng)電源或在通電時保證移動區(qū)域在兩限位光電門之間，智能運動控制系統(tǒng)的使用請參看使用說明）并把試驗儀超聲波發(fā)射強(qiáng)度和接受增益調(diào)到最大。3、進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實驗”子菜單，切換到“設(shè)置源頻率”后，按“”“”鍵增減信號頻率，一次變化10Hz；用示波器觀察接收換能器波形的幅度是否達(dá)到最大值，該值對應(yīng)的超聲波頻率即為換能器的諧振頻率。4、諧振頻率調(diào)好后，“動態(tài)測量”，我們可以看到畫面中換能器的接受頻率（測量頻率）和發(fā)

34、射源頻率是相等的，而且改變接受換能器的位置，該測量頻率和發(fā)射頻率始終是相等的，證明調(diào)諧成功。5、切換到“時差法測聲速”，使接受換能器與發(fā)射換能器的最大距離保持在0300mm之內(nèi)，通過步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動，改變兩換能器之間的距離，在測量時間差t連續(xù)變化的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)記載:表1：S代表小車位置，t為時間差。S1(mm)t1(us)S2t2S3t3S4t4114.0232138301154.5348176.7438S5t5S6t6S7t7S8t8200.4507216.6554249.5649287.57576、數(shù)據(jù)處理與誤差分析： 理論聲速:測量值： 實驗時可以多次測量求平均值，

35、誤差分析略。二、用駐波法和相位法測定空氣中聲速例2：駐波法測量，室溫26.3，換能器諧振頻率f=37730Hz。 實驗步驟：1、按照例1的實驗步驟14進(jìn)行操作，使調(diào)諧成功。2、切換到“多普勒效應(yīng)實驗”畫面進(jìn)行實驗。3、逐漸移動小車的位置，同時觀察接收波的幅值，找出相鄰兩個振幅最大值（或最小值）之間的距離差，此距離差為/2，為聲波的波長。通過和聲波的頻率f即可算出聲速：=f。記錄下幅度為最大時的距離Li-1，再向前或者向后（必須是一個方向）通過轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時，記錄下此時的距離Li。即可求得聲波波i=2Li-Li-1。表2：L1L1-1L2L2-1

36、L3L3-1385.1389.8389.8394.4394.4399.1L4L4-1L5L5-1L6L6-1399.1403.6403.6408.3408.3412.84、數(shù)據(jù)處理:例3：相位法測量，室溫26.3，c0=347m/s，換能器諧振頻率f=37730Hz。 實驗步驟：1、按照例1的實驗步驟14進(jìn)行操作，使調(diào)諧成功。2、切換到“多普勒效應(yīng)實驗”畫面進(jìn)行實驗。3、選擇合適的發(fā)射強(qiáng)度，將示波器打到“X-Y”方式，選擇合適的示波器通道增益，示波器顯示李薩如圖形。轉(zhuǎn)動步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使載接收換能器的小車緩慢移動，使李薩如圖顯示的橢圓變?yōu)橐欢ń嵌鹊囊粭l斜線，記錄下此時的距離Li-1，距離由刻

37、度尺和游標(biāo)上讀出。再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時接收波的相位變化2，記錄下此時的距離Li。即可求得聲波波長：i=Li-Li-1。表3：L1L1-1L2L2-1L3L3-1296.8306.2306.2315.3315.3324.5L4L4-1L5L5-1L6L6-1324.6333.9333.9343.2343.2352.54、數(shù)據(jù)處理:例4：動態(tài)多普勒效應(yīng)測聲速，室溫26.3，c0=347m/s，換能器諧振頻f=37730Hz，聲源、介質(zhì)不動，接收器運動速度為。 實驗步驟：1、按照例1的實驗步驟14進(jìn)行操作，使調(diào)諧成功。2、切換到“動態(tài)測量”，設(shè)定小車速度，使小車在限位區(qū)間內(nèi)正或反運行，記下測量頻率和源頻率之差f正和f反，以及智能運動控制系統(tǒng)給出的小車速度Vr。3、測量和記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)以及處理如下：表4：Vr(m/s)f正(Hz)f反(Hz)f=(f正+f反)/2V=f&