超声波多普勒效应测速仪的设计.doc

超声波多普勒效应测速仪的设计.doc超声波多普勒效应测速仪的设
超声波多普勒效应测速仪
一、题目分析
本设计为本次实验设计大赛基础题，其设计的原理基于多普勒效应。题目 的任务为：设计与多普勒效应相关的实验，观测其物理现象，基于实验测量数 据分析被测对象的物理过程(物理量)。要求：
突出实验的物理原理；
体现作品的物理创新思想；
进行不确定度分析；
操作简易、可用于实验教学；
性价比高。
从题目命题来看，目的非常明确，就是设计一个实验使之能观测多普勒效 应并能测定相关物理量。实现这个基本点的基础上，要求体现作品的物理创新 思想与实用性。再者，实验装置成本低，性能好。
创新的一个基本认识是：通过创造或引入新的技术、知识、观念或创意创 造出新的产品、服务、组织、制度等新事物并将其应用于社会，以实现其价值 的过程。价值包括其经济价值、社会价值、学术价值和艺术价值等。这里要求 设计能够体现物理创新思想，即意味着设计需要另辟蹊径，走一条新路子。至 少要避开实验室已有的传统的实验设计方案。实用性明确：操作简易，可用于
实验教学。这就要求设计人性化，易于交互，原理明确，测量准确。性价比指 标则要求控制成本，在实现同样的功能前提下其成本更加低廉。
为此首先必须正确理解多普勒效应。多普勒效应描述的是波源或观察者， 或者两者同时相对于介质有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源的振 动频率不同，即发生了频移。由此可知，这一实验设计的基本任务必须立足几 点：
波源选择。多普勒效应是一切波动过程的共同特征，它适用的对象是 波。机械波与电磁波(光波)均可作为本次实验设计的分析对象。水波、声波、 光等都可以作为波源。波源选择不同，其对应的检测方法不同，难度也不一样。
设置合适的接收装置，便于观测和定量分析。
测量对象。利用多普勒效应可以测量物体的运动速度、液体的黏度[1] 等。本实验测量对象定为运动物体的速度。
二、方案论证
根据题目分析，可选波源基本上是水波、声波与光波三种波源之一。从直 观性和形象性指标来看，水波多普勒现象最为直观，声波在听阈范围内较为直 观，光波在必须借助仪器，直观性相对较弱。从可操控性指标而言，水波的操 控性不易控制，声波与光波相对较好。从成本指标来看，水波最为廉价，声波 其次，光波则偏高。如果能很好的控制水波波源的稳定，可实现物美价廉的设 计目标。其次是利用超声波。此外，由于处理物理信号没有处理电信号那样便 捷，因此都将采用转换电路，将物理信号转换成电信号进行测量。
根据多普勒效应原理，可以直接选择频率为测量对象，这样可直接的验证 上述原理。通常的测量方法多为利用电路得到频移信号，并通过存储示波器测 量该频移量⑴。如此一来，测试仪器相对大而笨重，仅适合于实验室内采用。相 较而言，采用直接测量频率更为直接与直观，相应的代价却较小，利用单片机 系统即可胜任数据的存储、处理与显示。
基于前面的分析和便于DIY以制作，最后决定利用超声波来完成。原因之 一在于超声波已经广泛的应用于生活，如运动测速和彩超。同时通过这种方式, 可以更好的理解和体验理论与实践之间的差距。之二是：以水波为研究对象虽
然直观形象，但是它需要耗费大量的水。作为一个演示实验也许可选，但是如 果作为学生实验则与现今“节能减排”和“节约水资源”的主流相违背。而如果选 择光为对象，我们的理解是其投入的成本明显增加，难度也加大。
通过分析完成实验设计的功能框图，如图1所示。
图la超声多普勒实验系统框图
单片机系统
图lb实验系统示意图
图1超声波多普勒效应测速原理图
1=
1、实验原理
根据多普勒效应，以介质为参考系, 并假设波源和观察者之间的运动在两
者的连线上，则有下面规律:
式中＞ vO_声速;
vs_波源相对于介质的速度；
vb_观察者相对于介质的速度。
当观察者与波源相向运动时，取正；当二者相背运动时，取负。
根据原理，直接确定测量的物理量：频率。实验装置静止时测量信号源的 频率仙 当声源运动时测得的频率f。当波源与观察者都相对与介质静止时, 测得的频率即为波源的振动频率。其次采用物理学中所用“由静及动”思想以及 变量控制法，将波源和观察者设定为其中一个运动，而另一个处于静止，以控 制测量的误差因素，提高测量的准确度与精度。在此，采用发射装置动，测量 装置静止的方法进行测量。于是有,
叫=%（1-九仃）……（2）
又已知声速与温度的关系式为：
v0 = 4- ⑶
，可由测出实验 时的环境温度以对测试数据进行修正。
本设计只需测量两种工作状态下的频率即可完成测量任务。操作简单，数 据测量快捷、准确