声波多普勒效应

实验46　声波多普勒效应

当波源与接收器相对运动时，接收器接收到的信号频率与波源的频率不同，这种现象称为多普勒效应。多普勒效应在测量技术中有着广泛的应用，如天文学家通过测量星球光谱多普勒“红移”，证明星球正在远离地球向飞去，为“大爆炸”宇宙学理论提供了重要证据；电磁波的多普勒效应为跟踪人造地球卫星提供了简便的方法。本实验研究声波多普勒效应。

【实验目的】

（1）加深了解多普勒效应的物理原理及其应用；

（2）研究接收器的信号频率与波源运动速度的关系；

（3）学会用多普勒效应测量声速等物理量。

【实验任务】

（1）正确选择信号发生器输出正弦信号的幅度，测量话筒和扬声器实验系统的频率响应，确定最佳频率。

（2）用数字示波器测出υ_s和υ_R，用计时器测出声源速度u_s，求出声速u；计算声速测量值与理论值（室温340m/s）的相对误差，分析误差原因。

（3）用数字示波器测出υ_s和υ_R，声速u取标准值（340m/s），求出声源速度u_s；计算与计时器测出的声源速度的相对误差，分析误差原因。

（4）用数字示波器测出υ_s，用计时器测出声源速度u_s，声速u取标准值（340m/s），求出话筒信号频率υ_R；计算与频率计测得的话筒信号频率的相对误差，分析误差原因。

【实验研究方法】

设声速为u，声源频率为υ_S，声源运动速度为u_s，接收器静止，接收的信号频率为υ_R。

当声源向着接收器运动时，接收的信号频率υ_R为：

当声源远离接收器运动时，接收的信号频率υ_R为：

由（6-46-1）或（6-46-2）式可知，如果用数字示波器测出υ_s和υ_R，用计时器测出声源速度u_s，则可求出声速u；如果用数字示波器测出υ_s和υ_R，声速u取标准值（室温340m/s），则可求出声源速度u_s；如果用数字示波器测出υ_s，用计时器测出声源速度u_s，声速u取标准值，则可求出接收器的信号频率υ_R。从实验上研究接收器的信号频率与波源运动速度的关系，学会用多普勒效应测声速等物理量。

【仪器简介】

函数信号发生器，数字示波器，自制多普勒效应实验装置。

1.实验装置及工作原理

图6-46-1是多普勒效应实验装置示意图，由水平导轨、带扬声器往返运动的小车、测速光电门、扬声器、交流电机、多普勒效应实验仪（包括测速计时电路、CPU控制电路、功率放大器和电压放大器等电路）。工作原理：CPU通过继电器和定位行程开关控制电机正反转，从而控制小车往返运动。信号发生器输出正弦信号经功率放大器输给扬声器发出声波，声波被话筒接收后经电压放大，由数字示波器测出接收信号频率。两个光电门和计时器测出扬声器（声源）通过两光电门的时间，然后根据两光电门的距离求出扬声器（声源）的运动速度。

图6-46-1　声波多普勒效应实验装置

2.多普勒实验仪操作方法

图6-46-2是实验仪的后面板，接线简单。图6-46-3是实验仪的前面板。MIC输入插座：话筒信号放大输入端；MIC输出插座：话筒信号放大后输出端，接频率计或示波器。放大输入插座：正弦信号放大输入端，接函数发生器输出；放大输出插座：信号放大输出端，接扬声器。测量按键：启动电机转动和计时。

图6-46-2　多普勒实验仪后面板

图6-46-3　多普勒实验仪前面板

工作过程：按图6-46-2和图6-46-3接好线，按“测量”键，实验仪自动完成下面三项工作：

（1）实验仪先控制电机驱动小车向右运动，到达导轨的右端时行程开关接通，小车停止。导轨的右端作为每次实验的起点。如果小车起始位置已在导轨的右端，且行程开关已接通，则直接进入下一步。

（2）电机驱动小车向左运动，实验仪测量扬声器通过两光电门的时间T₁，并显示在LCD的第一行；同时要用数字示波器储存小车在两光电门之间运动时的波形，测出频率。当扬声器经过第二个光电门后小车停止。

（3）为了测小车反向运动多普勒效应，电机停留约2秒后自动反转，扬声器向右运动，直到右端行程开关再次接通后小车停止，完成一次测量周期。扬声器反向通过两光电门的时间T₂显示在LCD的第二行，用数字示波器储存小车在两光电门之间运动时的波形，测出频率。

注意事项：a.正确选择信号发生器输出正弦信号的幅度，保证扬声器的输入信号为不失真的正弦波（示波器观察），同时又保证话筒与扬声器相距最远时，图6-46-1中数字示波器的信号幅度大于10mV，且为正弦波。b.话筒和扬声器都有最佳的频率响应，因此信号发生器输出的正弦信号频率要由实验确定。在8～10kHz范围内调节信号发生器的频率，当图6-46-1中数字示波器的信号幅度最大时，该频率为话筒和扬声器灵敏度最大频率，作为信号的实验频率。c.话筒支架不要接触电机底座，避免电机转动时引起话筒振动产生噪声，无法测量多普勒频率。d.如果电机发出“嗡嗡”声不转动，说明电机负荷太重，应立即关闭电源，用手拨动电机转轴使拖动小车的链条松弛后再做实验。e.如果拖动小车的链条松弛时电机还发出“嗡嗡”声不转动，则实验装置可能出现故障，需要维修。

预习思考题

（1）在实验过程中，话筒（接收器）为什么要避免电机振动干扰？

（2）在图6-46-1中，如果扬声器（声源）与话筒（接收器）交换位置，扬声器静止不动，小车带动话筒运动，能否测量多普勒频移，有什么困难？