多普勒效應(yīng)及聲速綜合測(cè)試儀說(shuō)明書(第3版修訂0835)

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(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)明書）聲速的多途徑綜合測(cè)量實(shí)驗(yàn)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(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)，或者波源、觀察者不動(dòng)而傳播介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者波源、觀察者、傳播介質(zhì)都在運(yùn)動(dòng)時(shí), 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(cè)速、光譜儀、多普勒雷達(dá)，多普勒彩色超聲診斷儀等。二、實(shí)驗(yàn)原理1、聲波的多普勒效應(yīng)設(shè)聲源在原點(diǎn)，聲源振動(dòng)頻率為f，接收

2、點(diǎn)在x，運(yùn)動(dòng)和傳播都在x方向。對(duì)于三維情況，處理稍復(fù)雜一點(diǎn)，其結(jié)果相似。聲源、接收器和傳播介質(zhì)不動(dòng)時(shí)，在x方向傳播的聲波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1-1） 聲源運(yùn)動(dòng)速度為，介質(zhì)和接收點(diǎn)不動(dòng)設(shè)聲速為，在時(shí)刻t ,聲源移動(dòng)的距離為 因而聲源實(shí)際的距離為 （1-2）其中=/為聲源運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)，聲源向接收點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（或）為正，反之為負(fù)，將式1-2代入式1-1：可見(jiàn)接收器接收到的頻率變?yōu)樵瓉?lái)的, 即: （1-3） 聲源、介質(zhì)不動(dòng)，接收器運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)，接收點(diǎn)向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)（或）為正，反之為負(fù)。介質(zhì)不動(dòng)，聲源運(yùn)動(dòng)速度為，接收器運(yùn)動(dòng)速度為，可得接收器接

3、收到的頻率: （1-5） 介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，設(shè)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度為,得 根據(jù)1-1式可得： （1-6）其中為介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的馬赫數(shù)。介質(zhì)向著接收點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（或）為正，反之為負(fù)?？梢?jiàn)若聲源和接收器不動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，則頻率不變。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)只研究第2種情況：聲源、介質(zhì)不動(dòng)，接收器運(yùn)動(dòng)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(yàn)證了多普勒效應(yīng)。另外，若已知、f，并測(cè)出，則可算出聲速，可將用多普勒頻移測(cè)得的聲速值與用時(shí)差法測(cè)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(lái)研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。2、聲速的幾種測(cè)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(dòng)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(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn)。聲速實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)圖。壓電陶瓷換能器根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換能器。聲速教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jiǎn)圖。 共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速假設(shè)在無(wú)限聲場(chǎng)中，僅有一個(gè)點(diǎn)聲源換能器1（發(fā)射換能器）和一個(gè)接收平面（接收

5、換能器2）。當(dāng)點(diǎn)聲源發(fā)出聲波后，在此聲場(chǎng)中只有一個(gè)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(hào)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(jiàn)，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(shí)驗(yàn)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(hào)源供給頻率為數(shù)十千赫的交流電信號(hào)，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(hào)。將它輸入示波器，我們就可看到一組由聲壓信號(hào)產(chǎn)生的正弦波形。由于換能器2在接收聲波的同時(shí)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?cè)谑静ㄆ魃嫌^察到的實(shí)際上是這兩個(gè)相干波合成后在聲波接收器（換能器2）處的振動(dòng)情況。移動(dòng)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(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換能器2在某位置時(shí)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(cè)量聲波的波長(zhǎng)，可以在一邊觀察示波器上聲壓振幅值的同時(shí)，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(dòng)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(dòng)過(guò)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(guò)

8、轉(zhuǎn)動(dòng)滾花帽來(lái)實(shí)現(xiàn)，而超聲波的頻率又可由測(cè)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(cè)量相隔半波長(zhǎng)的位置變化及聲波頻率f以后，我們可運(yùn)用測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算出聲速，用逐差法處理測(cè)量的數(shù)據(jù)。 相位法測(cè)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(duì)于發(fā)射波束：1=Acos（t+2x/)來(lái)說(shuō)，在經(jīng)過(guò)x距離后，接收到的余弦波與原來(lái)位置處的相位差（相移）為=2x/。由此可見(jiàn)，在經(jīng)過(guò)x距離后，接收到的余弦波與原來(lái)位置處的相位差（相移）為=2x/，如圖3所示。因此能通過(guò)示波器，用李薩如圖法觀察測(cè)出聲波的波長(zhǎng)

9、。 時(shí)差法測(cè)量原理連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動(dòng)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(shí)間t圖4 發(fā)射波與接收波通過(guò)測(cè)量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t，就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、測(cè)量超聲接收換能器的運(yùn)動(dòng)速度與接收頻率的關(guān)系，驗(yàn)證多普勒效應(yīng)。2、用步進(jìn)電機(jī)控制超聲換能器的運(yùn)動(dòng)速度，通過(guò)測(cè)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(yùn)動(dòng)，勻加（減）速直線運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)等。4、在直射式和反射式兩種情況下，用時(shí)差法測(cè)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(cè)量空氣中的聲速。6、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度。7、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：利用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離。四、實(shí)驗(yàn)步驟把測(cè)試架上收發(fā)換能器(固定的換能器為發(fā)射，運(yùn)動(dòng)的換能器為接受)及光電門I連在實(shí)驗(yàn)儀上的相應(yīng)插座上,實(shí)驗(yàn)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(cè)試架上的光電門II、限位及電機(jī)控制接口與智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相應(yīng)接口相連；將智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)“電源輸入”接實(shí)驗(yàn)儀的“電源輸出”。開機(jī)后可進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)。1、驗(yàn)證多普勒效應(yīng)進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”畫面后，先“設(shè)置源頻率”,用“”“”增減信號(hào)頻

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

12、多普勒效應(yīng)。2、用多普勒效應(yīng)測(cè)聲速測(cè)量步驟和1相同，只是轉(zhuǎn)入“動(dòng)態(tài)測(cè)量”或“瞬時(shí)測(cè)量”，小車運(yùn)動(dòng)速度由智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)確定，頻率由“動(dòng)態(tài)測(cè)量”或“瞬時(shí)測(cè)量”確定,因而可由1-4式求出聲速。進(jìn)行多次測(cè)量后，求出聲速的平均值，并與由時(shí)差法測(cè)出聲速作比較。3、研究物體的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，勻加（減）直線運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。這時(shí)應(yīng)進(jìn)入“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，設(shè)置好采樣點(diǎn)數(shù)，采樣步距后,“開始測(cè)量”，測(cè)量完后顯示出結(jié)果。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了用智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制的小車外，還可換用手動(dòng)小車，這時(shí)注意應(yīng)該推動(dòng)小車系統(tǒng)的底部使小車運(yùn)動(dòng)，并且不能用力過(guò)大、過(guò)猛。4、用時(shí)差法測(cè)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(shí)差法測(cè)聲速”畫面，這時(shí)超聲發(fā)射換能器發(fā)出75s寬（填充3個(gè)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(lái)的反射波，這時(shí)顯示一個(gè)t值：t1；用步進(jìn)電機(jī)或用手移動(dòng)小車（注意：手動(dòng)移動(dòng)小車時(shí)候，最好通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動(dòng)，以減小實(shí)驗(yàn)誤差）,或改變反射面的位置，再得到一個(gè)t值：t2，從而算出聲速值,，其中x為小車移動(dòng)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?yàn)榉瓷浞〞r(shí)前后兩次經(jīng)過(guò)反射面的聲程差。 注意：按照?qǐng)D4所示的時(shí)差法測(cè)量原理，時(shí)間t為發(fā)射波到接收波的第一個(gè)波峰之間時(shí)間；在

14、移動(dòng) x的過(guò)程中，只要t的變化是連續(xù)的，測(cè)量誤差最小。 圖5 反射法測(cè)聲速 圖6 接收波形 反射法測(cè)量聲速時(shí)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(guò)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(gè)容易辨識(shí)的時(shí)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(dòng)L，記下此時(shí)示波器中先前那個(gè)波頭bn在時(shí)間軸上移動(dòng)的時(shí)間t，如圖6所示，從而得出聲速值,。用數(shù)字示波器測(cè)量時(shí)間同樣適用于直射式測(cè)量，而且可以使測(cè)量范圍增大。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，得到多個(gè)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(cè)定空氣中聲速這時(shí)應(yīng)進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”畫面，設(shè)置源頻率，同時(shí)用示波器觀察波形，應(yīng)使接收波幅達(dá)到最大值。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動(dòng)來(lái)改變換能器位置。用駐波法測(cè)量時(shí)，逐漸移動(dòng)小車的距離，同時(shí)觀察接收波的幅值，找出相鄰兩個(gè)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(zhǎng)。通過(guò)和聲波的頻率f即可算出聲速：=f。用相位法測(cè)量時(shí)，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(gè)方向移動(dòng)小車，觀察到同一方向的斜線時(shí)，記下

16、距離差，此距離差即聲波波長(zhǎng)，已知聲波頻率f即可算出聲速=f。6、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度。請(qǐng)實(shí)驗(yàn)者根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1結(jié)果，結(jié)合智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度的實(shí)驗(yàn)方案，包括原理、步驟和結(jié)果等。*7、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：利用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離。請(qǐng)實(shí)驗(yàn)者根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4中關(guān)于時(shí)差法測(cè)聲速的原理，結(jié)合智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及導(dǎo)軌標(biāo)尺，設(shè)計(jì)一個(gè)用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離的實(shí)驗(yàn)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(cè)定儀使用說(shuō)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(shí)驗(yàn)儀使用說(shuō)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(cè)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(lái)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(zhǎng)較電磁波要小得多，所以在較低的運(yùn)動(dòng)速度下也有明顯的多普勒效應(yīng)，這就非常有利于物理實(shí)驗(yàn)中對(duì)多普勒效應(yīng)進(jìn)行研究。另外，本儀器還能對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度進(jìn)行多種途徑的測(cè)量：駐波法、相位法、時(shí)差法和多普勒效應(yīng)法測(cè)量聲速。一、儀器型號(hào)及功能DH-DPL系列多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀由以下幾種：1、DH-DPL1型多普勒效應(yīng)

18、及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀由多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和聲速測(cè)量?jī)纱髩K組成，能做以下實(shí)驗(yàn)：a、測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度與頻率的關(guān)系，驗(yàn)證多普勒效應(yīng)；b、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度；c、用多普勒效應(yīng)研究勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻加（減）速直線運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)等；d、用多普勒效應(yīng)測(cè)量空氣中的聲速；e、用駐波法測(cè)量空氣中的聲速；f、用相位法測(cè)量空氣中的聲速，測(cè)量角度可變；g、在直射式情況下，用時(shí)差法測(cè)量空氣中的聲速；h、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：利用超聲波測(cè)量距離2、DH-DPL2型多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀與DH-DPL1相比，加入了反射式時(shí)差法測(cè)量聲速的功能；二、儀器主要技術(shù)參數(shù)1、功率信號(hào)源：a信號(hào)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度：直線勻速運(yùn)動(dòng)0.0590.475m/s可調(diào)，誤差±0.002m/s；直線變速運(yùn)動(dòng)00.475m/s變化,提供七條變速曲線；可正反方向運(yùn)行； c 最小步進(jìn)距離L設(shè)定范圍：0.050.3mm； d 運(yùn)行距離D顯示范圍：勻速運(yùn)動(dòng)模式0999.99mm，誤差±2L； 變速運(yùn)動(dòng)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(cè)頻精度：±1Hz；5、系統(tǒng)測(cè)速精度：±0.002m/s；6、時(shí)差法準(zhǔn)確測(cè)量范圍：0300mm；用數(shù)字示波器測(cè)量：范圍300 mm；7、時(shí)差法、相位法、駐波法以及多普勒效應(yīng)法測(cè)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(shuō)明本儀器由實(shí)驗(yàn)儀、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)試架三個(gè)部份組成。實(shí)驗(yàn)儀由信號(hào)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(yùn)動(dòng)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(cè)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(dòng)系統(tǒng)、光電門等組成。圖7 主測(cè)試儀面板圖 圖8 智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)面板圖在驗(yàn)證多普勒效應(yīng)和直射式測(cè)聲速時(shí)，超聲發(fā)射器和接收器面對(duì)面平行對(duì)準(zhǔn)；在反射式測(cè)量時(shí)，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(cè)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(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌 圖9 運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)儀主畫面開機(jī)時(shí)或按復(fù)位鍵時(shí)顯示：“歡迎使用多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)儀”。按“確認(rèn)”鍵（即中心鍵）后顯示主菜單：“時(shí)差法測(cè)聲速”“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”“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(shí)差法測(cè)聲速”：“時(shí)間差t: xxxs”“返回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”：“設(shè)置源頻率”：“”“”增減信號(hào)頻率，一次變化10Hz；“瞬時(shí)測(cè)量”：測(cè)過(guò)光電門時(shí)的平均頻率及平均速度；“動(dòng)態(tài)測(cè)量”：不用光電門測(cè)得的動(dòng)態(tài)頻率（頻率計(jì)）；“返

23、回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”： “采樣點(diǎn)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(cè)量”：進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，測(cè)量完后顯示結(jié)果“f-t”、“數(shù)據(jù)”、“存儲(chǔ)”、“返回”；按“”“”鍵進(jìn)入相關(guān)功能；若要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，先選擇該功能，按下“確認(rèn)”后將顯示“存儲(chǔ)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(chǔ)到組x”，并自動(dòng)回到原操作界面；“返回” “數(shù)據(jù)查詢”： “變速運(yùn)動(dòng)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(chǔ)”、“返回”，按“”“”鍵切換

24、到相關(guān)功能； ！說(shuō)明：瞬時(shí)測(cè)量時(shí)，信號(hào)源測(cè)速可能會(huì)與智能運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)際的L1=S1+S2，L2=S3+S3并非標(biāo)準(zhǔn)，t1和t2為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值，所以需要用游標(biāo)卡尺測(cè)量S1，S2，S3，然后計(jì)算出實(shí)際的V正、V反。2、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制小車的啟、停及小車作勻速運(yùn)動(dòng)的速度。此外，內(nèi)建了七種變速運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生意外，設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌兩側(cè)的限位光電門處時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行方式，小車會(huì)自行停止運(yùn)行或反向運(yùn)行；當(dāng)因誤操作致使小車越限光電門后，會(huì)觸發(fā)行程開關(guān)，使系統(tǒng)復(fù)位停車，此時(shí)小車被鎖住，需要切斷測(cè)試架上的電機(jī)開關(guān)按鈕，移動(dòng)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)確性，開啟電源時(shí)必須確保小車起始位置在兩限位光電門之間。（1）在勻速運(yùn)動(dòng)模式下，即顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s（“-”表示方向?yàn)樨?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(shí)再按鍵（速度增加）或鍵（速度減小）來(lái)對(duì)

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(cè)速裝置來(lái)測(cè)量。（2）單擊啟動(dòng)/停止控制鍵，將使電機(jī)加速啟動(dòng)到設(shè)定速度或從設(shè)定速度減速到停止運(yùn)行（為了防止步進(jìn)電機(jī)的失步和過(guò)沖現(xiàn)象，需加速啟動(dòng)和減速停止）。此鍵在小車運(yùn)行時(shí)才有效。（3）在電機(jī)停止時(shí)單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運(yùn)行方向?qū)?huì)改變。需要注意的是，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到導(dǎo)軌兩側(cè)的限定位置而停止時(shí)，只有按此鍵改變電機(jī)運(yùn)行方向才可反向運(yùn)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(shí)，單擊上鍵將顯示上次電機(jī)運(yùn)行

27、的距離D，顯示為XXX.XXmm用于時(shí)差法測(cè)聲速，再次單擊此鍵將停止查看，恢復(fù)原來(lái)速度顯示數(shù)。在查看的過(guò)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(shí)按加鍵（加1）或減鍵（減1）來(lái)對(duì)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(lái)對(duì)該閃爍位的大小進(jìn)行設(shè)定依次對(duì)各位進(jìn)行設(shè)定，繼續(xù)單擊下鍵，直到自動(dòng)顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時(shí)，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(jiàn)速度設(shè)定說(shuō)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(shí)再釋放，即可進(jìn)入變速運(yùn)動(dòng)模式；再次按鍵不放直到顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時(shí)將返回原來(lái)勻速運(yùn)動(dòng)模式。（7）在變速運(yùn)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，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(dòng)/停止控制鍵將啟動(dòng)變速運(yùn)行曲線，運(yùn)行的過(guò)程中將顯示瞬時(shí)速度0.XXXm/s或-0.XXXm/s，反映瞬時(shí)速度的大小和方向變化。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中再次單擊啟動(dòng)/停止控制鍵

29、將停止運(yùn)行變速曲線，顯示ACCX或-ACCX，X為17。（9）在變速運(yùn)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)不運(yùn)行時(shí)，單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，變速運(yùn)動(dòng)速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運(yùn)行方向?qū)?huì)改變。（10）當(dāng)變速運(yùn)動(dòng)停止時(shí)顯示ACCX或-ACCX，單擊鍵將顯示上次變速運(yùn)行的距離D，當(dāng)0mm<D<1000mm時(shí)顯示XXX.XX mm；當(dāng)1000mm<D<10000mm時(shí)顯示XXXX.X mm；10000mm<D<100000mm時(shí)顯示XXXXX mm。3、速度設(shè)定說(shuō)明：（1）啟動(dòng)電機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，要先將固定接收換能器的小車置于導(dǎo)軌中間，即兩個(gè)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(cè)試架上面的復(fù)位鍵即可做實(shí)驗(yàn)，若運(yùn)動(dòng)模式切換，需再重復(fù)上面操作，確保初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)正確。在勻速運(yùn)動(dòng)模式下，限位停車后，要按鍵改變電機(jī)運(yùn)行方向后方可再按鍵啟動(dòng)運(yùn)行；在變速運(yùn)動(dòng)模式下，到限位位置后，電機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒆詣?dòng)改變且繼續(xù)運(yùn)行，按啟動(dòng)/停止鍵才可停止運(yùn)行。若小車越限觸發(fā)行程開關(guān)后，小車將停車，此時(shí)小車被鎖住，需要切斷測(cè)試架上的電機(jī)開關(guān)按鈕，移動(dòng)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?gòu)?加速到最大速度V，再減速到0變速運(yùn)行的距離可以查看。（3）通過(guò)外部測(cè)距來(lái)校對(duì)設(shè)定電機(jī)最小步進(jìn)距離L。先設(shè)定一個(gè)速

31、度，使電機(jī)勻速運(yùn)行，運(yùn)行一段距離后停車，記下控制器中顯示的運(yùn)行距離D和小車實(shí)際運(yùn)行的距離S（從標(biāo)尺上讀出）。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)一定，設(shè)原最小步進(jìn)為L(zhǎng),需設(shè)定的最小步進(jìn)為L(zhǎng)S，則有D/L=S/LS。把計(jì)算出的LS值設(shè)入系統(tǒng)，那么下次運(yùn)行距離顯示值即為實(shí)際測(cè)量值。本系統(tǒng)已預(yù)置一個(gè)參考值L=0.102mm，可以通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)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(hào)線 2根4、小4芯信號(hào)線 1根5、小3芯信號(hào)線 1根6、小2芯信號(hào)線 1根7、主實(shí)驗(yàn)儀 1臺(tái)8、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 1臺(tái)9、實(shí)驗(yàn)測(cè)試架 1套10、使用說(shuō)明書（講義） 1份11、產(chǎn)品合格證 1份12、保險(xiǎn)

32、絲（0.5A） 2只五、維護(hù)保養(yǎng)和注意事項(xiàng)1、使用時(shí)，應(yīng)避免信號(hào)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(yùn)動(dòng)部分是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密系統(tǒng)，嚴(yán)禁運(yùn)行過(guò)程中人為阻礙小車的運(yùn)動(dòng)。4、注意避免傳動(dòng)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(yùn)行，意外觸發(fā)行程開關(guān)后要先切斷測(cè)試架上的電機(jī)開關(guān)，接著把小車移動(dòng)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(gòu)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(jì)、制造過(guò)程中產(chǎn)生的質(zhì)量問(wèn)題或者引起的故障，本公司負(fù)責(zé)免費(fèi)維修。超過(guò)保修期，本公司提供儀器的維修和技術(shù)服務(wù)。 附錄3 實(shí)驗(yàn)舉例（數(shù)據(jù)僅供

33、指導(dǎo)老師參考）一、時(shí)差法測(cè)量聲速例1：直射法測(cè)量，室溫26.3，換能器諧振頻率f=37730Hz。實(shí)驗(yàn)步驟：1、按圖8接線。2、把載接受換能器的小車移動(dòng)到導(dǎo)軌最右端（移動(dòng)時(shí)可以關(guān)閉智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電源或在通電時(shí)保證移動(dòng)區(qū)域在兩限位光電門之間，智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的使用請(qǐng)參看使用說(shuō)明）并把試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”子菜單，切換到“設(shè)置源頻率”后，按“”“”鍵增減信號(hào)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(duì)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(dòng)態(tài)測(cè)量”，我們可以看到畫面中換能器的接受頻率（測(cè)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(cè)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(shí)差法測(cè)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(guò)步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動(dòng)，改變兩換能器之間的距離，在測(cè)量時(shí)間差t連續(xù)變化的區(qū)間內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記載:表1：S代表小車位置，t為時(shí)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(cè)量值： 實(shí)驗(yàn)時(shí)可以多次測(cè)量求平均值，

35、誤差分析略。二、用駐波法和相位法測(cè)定空氣中聲速例2：駐波法測(cè)量，室溫26.3，換能器諧振頻率f=37730Hz。 實(shí)驗(yàn)步驟：1、按照例1的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”畫面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3、逐漸移動(dòng)小車的位置，同時(shí)觀察接收波的幅值，找出相鄰兩個(gè)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(zhǎng)。通過(guò)和聲波的頻率f即可算出聲速：=f。記錄下幅度為最大時(shí)的距離Li-1，再向前或者向后（必須是一個(gè)方向）通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動(dòng)，當(dāng)接收波經(jīng)變小后再到最大時(shí)，記錄下此時(shí)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(cè)量，室溫26.3，c0=347m/s，換能器諧振頻率f=37730Hz。 實(shí)驗(yàn)步驟：1、按照例1的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)”畫面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(dòng)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(dòng)，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(shí)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(gè)方向）移動(dòng)距離，使觀察到的波形又回到前面所說(shuō)的特定角度的斜線，這時(shí)接收波的相位變化2，記錄下此時(shí)的距離Li。即可求得聲波波長(zhǎng)：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(dòng)態(tài)多普勒效應(yīng)測(cè)聲速，室溫26.3，c0=347m/s，換能器諧振頻f=37730Hz，聲源、介質(zhì)不動(dòng)，接收器運(yùn)動(dòng)速度為。 實(shí)驗(yàn)步驟：1、按照例1的實(shí)驗(yàn)步驟14進(jìn)行操作，使調(diào)諧成功。2、切換到“動(dòng)態(tài)測(cè)量”，設(shè)定小車速度，使小車在限位區(qū)間內(nèi)正或反運(yùn)行，記下測(cè)量頻率和源頻率之差f正和f反，以及智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)給出的小車速度Vr。3、測(cè)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&