超声波多普勒效应测速仪的设计

Ｄｅ ｉｎ ｔｏ ｆｖ ｌｃｔ ａ ｕ ｅ ｎ ｘ ｅｉ ｎ ｓｇ ａｉｎ ｏ ｅｏ ｉ ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｙ
ｂ ｓ ｄ ｏ ｌ ａ ｏ ｉ ｐ ｌ ｒＥｆ ｃ ａ ｅ ｎ ｕ ｔ ｓ ｎ ｃ Ｄｏ ｐ ｅ ｆ ｔ ｒ ｅ
Ｄ Ｎ ｉｑａｇ Ｉ Ｎ ｉｊ Ｅ Ｇ Ｌ— ｉ ，ＬＡ Ｇ Ｙ －ｉ ｎ
勒效应测速的原理； 三是利用实验室原有的仪器 ， 设
计一 套 能完成 多普 勒效 应测 速实 验 的装 置 。一般 开 设基 于多普 勒效 应 的实 验 项 目， 要 重新 购 置 相 应 需 的实验设 备 ， 包括 复杂 的机 械系 统及运 动控 制系统 ， 费 用较 高 Ｊ 。本 实验 综合 利 用 现有 的声速 测 量 实
（ 东石 油化 工 学院 理 学院 ，广 东 茂 名 ５５０ ） 广 ２００
摘 要 ：介 绍了设 计性实验——超声多普勒效应测 速。该实验要 求学生 理解超 声多普 勒效应测 速 的原理 ，利
用气 垫导轨实验仪器和声速测定实验仪器 ， 设计 出一套超声 多普勒效应 测速 实验仪器 ，并 利用该仪 器测量 实
置于一种富有探索和创造性 的学 习环境 中， 积极主 动地思考 、 分析问题 ， 使他们受到一种类似于专业科 研人 员搞 科研 的那 种 训 练 。学 生 在 做 这 类 实 验 时 ， 需要 自己完成 阅读文献资料、 拟定实验方案 、 配置实 验设备 、 制作仪器部件或搭建电子线路、 测量实验数 据、 分析实验结果 、 完成实验报告等工作 ， 这种注重 培养学生科研能力的做法 ， 有利于学生 的开拓精神
物理 实验 是最 基 本 的实 验 训 练 ， 理 实 验教 学 物
更新 ， 将实验教学与现代科学技术的发展紧密结合 起来 ， 使物理实验 内容不断地发展和进步。为此 ， 物 理实验室设计 了一个设计性实 验： 超声 多普勒效 “

可见 f ′ > f 。当 u < 0 时 ,上式仍适用 ,但 f ′ <f。
1. 3 波源和观察者都运动
这时 u ≠ 0 。v ≠ 0 只要把式 ( 1) , ( 2) 结合起来 , 即 可得波源和观察者都运动时观察者接收到的频率 :
f ′= V + v ( ) λ - uT = V + v V 1 + v V
动反射体 ( 小车挡板) 的运动速度远小于介质声速的情 况下 , ( 4) 可以简化为 : 2 vt ( 5) fD = f
V
λ1- u
V V
=
2 实验系统
多普勒效应实验装置主要由机械部分、 前端传感 器 ,模拟放大电路 ,AΠ D 子系统和 PC 机子系统组成 ,如 图 1 所示 。系统各部分相互协作 ,完成信号的采集 、 放 大、 模数转换及数字信号处理 。
vt , u = vt ,由式 ( 3) 可得 : f ′= V + vt V - vt
图1 多普勒效应实验系统
2. 1 机械部分及前端传感器
实验仪的机械部分由导轨 、 轨道小车 、 启动区 、 停 止区四部分构成 ( 见图 2) 。为使小车获得稳定可调的 初速度 ,采用了同步带 反用的方法 , 齿形面在外 , 由 直流电动机牵引主动轮 ,可将小车以不同速度 “抛” 出。 小车车身底部加工为与同步带齿形相同的齿槽 , 与同 步带啮合 ,由于啮合面间的法线夹角小于摩擦角 ,故小 车可被稳妥加速 。在停止区 , 弹簧卡子使小车减速并 卡死 ,以防小车脱轨发生意外 。 前端传感器主要由两个超声换能器即发射换能器 [3 ] 和接收换能器组成 。安装时要特别注意保持发射器 和接收器的轴线以及小车反射面的法线相互平行 , 以 便获得较高的信噪比和较远的测试距离 。 2. 2 模拟放大电路及数据采集系统 [4 ] 接收换能器接收的信号先经 T 型反相放大网络 进行放大 ,然后再进行反相比例放大 。在后一级的反 相比例放大单元电路里 , 放大倍数可以通过可调电阻 进行调节 。由于接收换能器是压电器件 , 输出阻抗很 高 ,而 T 型反相放大网络有较高的输入电阻 ,较好的频

超声波测速仪的基本原理超声波测速仪的基本原理引言：超声波测速仪（Ultrasonic Doppler Velocimeter，简称UDV）是一种常见且广泛使用的测速仪器。

它基于超声波的特性，利用多普勒效应来测量流体的速度。

在本文中，我们将深入探讨超声波测速仪的基本原理，包括其工作原理、应用领域以及优势和局限性。

一、超声波测速仪的工作原理超声波测速仪通过发射和接收超声波信号来实现对流体速度的测量。

它主要包括发射器、接收器和信号处理器三个部分。

以下是超声波测速仪的工作原理步骤：1. 发射超声波信号：测速仪的发射器会产生一束超声波信号，并将其发送到测量目标中的流体中。

2. 超声波的反射与散射：发射的超声波信号在流体中会发生反射与散射，部分能量将被散射到指定的方向。

3. 接收超声波信号：测速仪的接收器会将散射和反射的超声波信号接收回来，并转化为电信号。

4. 多普勒频移：当流体中存在运动物体时，接收到的超声波信号的频率会发生多普勒频移。

5. 信号处理：信号处理器会分析接收到的信号，计算频率变化量，从而得到流体的速度信息。

二、超声波测速仪的应用领域超声波测速仪在多个领域有着广泛的应用，以下是其中几个常见领域：1. 水流测速：超声波测速仪可以用于测量河流、海洋以及工业管道中的水流速度。

这对于水资源管理、水环境保护以及水力工程等领域具有重要意义。

2. 气体流动：超声波测速仪也可用于测量气体流动的速度。

它在空气动力学研究、风洞实验以及燃烧研究等领域中发挥着重要作用。

3. 医学应用：超声波测速仪在医学领域中被广泛应用于血液流速监测、心脏功能评估以及血管狭窄程度的测量等方面。

4. 工业检测：超声波测速仪可用于工业领域的流体检测和质量控制。

它可以检测管道中的漏水情况，以及测量液体或气体在流经管道时的速度。

三、超声波测速仪的优势和局限性超声波测速仪具有以下优势：1. 非接触式测量：超声波测速仪可以在不直接接触被测流体的情况下进行测量，从而避免了污染和干扰。

超声波多普勒效应演示仪的制作作者：黄嘉林周纹因来源：《物理教学探讨》2019年第11期摘 ; 要：文章利用单片机制作了一款可以定量探究超声波多普勒效应的装置，可以将此装置用于实际的教学活动中。

关键词：多普勒效应;超声波;定量探究;单片机中图分类号：G633.7 文献标识码：A ; ;文章编号：1003-6148（2019）11-0051-22017年版《普通高中物理课程标准》对《多普勒效应》一节提出的内容要求有：“通过实验，认识多普勒效应。

”教师在课堂上演示多普勒效应多数采用定性的分析，例如，用运动的蜂鸣器或音叉让学生感受声音的变化。

但是，学生定性地感觉音调变化有时候现象并不明显。

笔者用超声波作为波源，制作了可以定量探究多普勒效应的装置。

1 ; ;实验原理当波源与观察者相互远离或靠近的过程中，观察者接收到的频率会与波源的频率不同，这种现象称为多普勒效应，其定量关系如下[1]：其中，f'为观察者接收到的频率，f为波源的频率，u为声速， v 为观察者的运动速度， v 为波源的速度。

2 ; ;超声波多普勒效应演示仪的制作与操作超声波多普勒效应演示仪的结构如图1、图2所示，基本的原理是：超声波发射头发出固定频率的超声波，超声波接收头接收超声波的信号，利用单片机对信号处理，接收到的超声波信号频率将会显示在数码管上。

2.1 ; ;材料信号发生器模块（3000～4000 kHz）、功放、超声波收发头、八位数码管模块、电池、单片机、导轨、轴承。

2.2 ; ;制作过程按图3连接好模块，在导轨上安装超声波发射头和超声波接收头，让超声波发射头和超声波接收头可以在导轨上运动（图4）。

3 ; ;实验步骤1.接通装置的电源，调试无误后可以开始演示。

2.选取固定频率的超声波发射源，这里选取的是39 004 Hz，在导轨上让超声波发射头、接收头处于相对静止或相对运动的状态，可以记录显示屏上超声波接收头的读数。

（1）当观察者与波源都静止的时候，观察者接收到的频率不变。

一、实验目的1. 理解并验证超声多普勒测速原理。

2. 掌握超声多普勒测速仪的使用方法。

3. 通过实验测量物体的运动速度，并分析实验结果。

二、实验原理多普勒效应是指当声源和观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的声波频率会发生变化。

在超声多普勒测速实验中，利用这一原理来测量物体的运动速度。

实验中，超声波发射器向被测物体发射一定频率的超声波，当超声波遇到物体时，部分超声波被反射回来。

由于物体在运动，反射回来的超声波频率会发生变化，这种变化称为多普勒频移。

通过测量多普勒频移，可以计算出物体的运动速度。

三、实验仪器与材料1. 超声多普勒测速仪2. 被测物体（如小车、转盘等）3. 超声波发射器4. 接收器5. 数据采集器6. 计算机7. 信号线四、实验步骤1. 将超声波发射器、接收器和数据采集器按照实验要求连接好。

2. 将被测物体放置在实验平台上，并确保其能够稳定运动。

3. 打开超声多普勒测速仪，设置好测量参数，如超声波频率、采样频率等。

4. 启动被测物体，使其开始运动。

5. 超声多普勒测速仪会自动采集发射和接收到的超声波信号，并计算出多普勒频移。

6. 将采集到的数据传输到计算机上，进行进一步分析。

五、实验结果与分析1. 实验结果显示，被测物体的运动速度与多普勒频移之间存在线性关系。

2. 通过实验数据，可以计算出物体的运动速度，并与理论值进行比较。

3. 实验结果表明，超声多普勒测速原理在实际应用中具有较高的准确性和可靠性。

六、实验总结1. 超声多普勒测速实验验证了多普勒效应原理在实际测量中的应用。

2. 通过实验，掌握了超声多普勒测速仪的使用方法，并了解了其测量原理。

3. 实验结果表明，超声多普勒测速技术在测量物体运动速度方面具有较高的准确性和可靠性。

七、实验拓展1. 研究不同超声波频率对测速精度的影响。

2. 探讨超声多普勒测速技术在其他领域的应用，如医学、交通等。

八、注意事项1. 实验过程中，注意保持超声波发射器和接收器之间的距离稳定，避免影响测量结果。

多普勒效应演示仪设计
刘波;陈海忠;裴明旭;朱小芹
【期刊名称】《实验室研究与探索》
【年(卷),期】2012(031)010
【摘要】根据多普勒效应基本原理,利用超声波作为信号源制作了多普勒效应演示仪.利用40 kHz超声波作为信号源,具有频率高、方向性好、发射功率高、不易受干扰等优点,能够在有限的教室空间里实现多普勒效应演示.理论证明,速度为340 m/s的超声波,当物体的运动速度在1～2 m/s变化时,差频的变化范围约为120 ～240 Hz,人耳就能很容易感受到多普勒效应.同时,该仪器还具有制作简单、易携带的优点,并自带测距、测速等附加功能.
【总页数】2页(P44-45)
【作者】刘波;陈海忠;裴明旭;朱小芹
【作者单位】江苏技术师范学院物理系,江苏常州213001;江苏技术师范学院物理系,江苏常州213001;江苏技术师范学院物理系,江苏常州213001;江苏技术师范学院物理系,江苏常州213001
【正文语种】中文
【中图分类】O422
【相关文献】
1.多普勒效应演示仪的改进 [J], 蒋金华;代伟;王漫;杜倩
2.超声波多普勒效应演示仪的制作 [J], 黄嘉林; 周纹因
3.超声波多普勒效应演示仪的制作 [J], 黄嘉林; 周纹因
4.多普勒效应演示仪的设计与探讨 [J], 赵婷婷;周杰;武志雄;王萌;田海川
5.基于多普勒效应的高功率微波发射原理演示仪 [J], 程纬
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基于多普勒效应的声速测量实验构建-声学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：利用多普勒效应来测量声速是大学物理中的一个重要的实验。

本文介绍了设计性实验超声多普勒效应测量声速, 利用多普勒效应综合实验仪, 设计出一套超声多普勒效应测量声速的实验装置, 并利用该实验装置测量声速。

关键词：超声多普勒效应; 声速; 设计性实验;Abstract：Using the doppler effect to measure the sound velocity is an important experiment in college physics.It introduces the design of experiments ultrasonic doppler effect measuring sound velocity, using the doppler effect experiment instrument, design a set of ultrasonic doppler effect measurement of sound velocity experiment device, and by using the experimental device measuring the speed of sound.Keyword：ultrasonic doppler effect; the sound velocity; design experiment;当波源和接收器之间有相对运动时, 接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。

多普勒效应在科学研究, 工程技术, 交通管理, 医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

例如:原子, 分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽, 称为多普勒增宽, 在天体物理和受控热核聚变实验装置中, 光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

超声风速仪的设计与研制随着全球气候变暖，环境污染日益严重，气象学在日常生活中扮演着越来越重要的角色。

而风速是气象学的一个重要参数，因此，精确测量风速的设备和技术变得尤为重要。

近年来，超声波测速法成为了一种重要的测风技术，并且得到了广泛应用。

据此，本文将从设计与研制角度，介绍超声风速仪。

一、超声风速仪的原理超声风速仪采用超声多普勒效应，即利用超声波在气体中的散射和受回波强度影响来确定气流速度和方向。

它利用超声波在气体中传播的速度小于在固体中传播的速度的特点，将声波传播到气流中，并测量气流对声波的回波信号。

根据多普勒效应，当气流向声波源接近时，回波频率增大；气流离声波源远离时，回波频率减小。

通过计算这种频率变化，就可以得出气流的速度。

二、超声风速仪的优点1. 测量范围广：超声风速仪能够测量从几米每秒到300米每秒的宽范围速度。

2. 省电：超声风速仪的工作电流非常小，因此它使用电池操作通常可以持续数月。

3. 精度高：超声波以声速传播，不受外部环境干扰，并且它的速度测量精度高，可以达到0.01米每秒。

4. 可靠性高：超声风速仪是非接触的，无需移动部件，减少了机械磨损，从而提高了它的可靠性。

三、超声风速仪的设计与制造超声风速仪的设计和制造需要多项技术的支持，包括实现超声波的发射与接收，实现频率变化的计算，以及对测量中的干扰进行抑制。

1. 超声波的发射与接收超声风速仪需要通过发射超声波来测量气流的速度，同时还需要接收超声波的回波信号。

为了实现这些功能，超声风速仪需要一个发射超声波的装置和一个接收回波的传感器。

发射超声波的装置通常是一个或多个压电换能器，它能将电信号转换为机械能，并震动产生超声波，通常采用50kHz频率的超声波。

接收回波的传感器也是一个压电换能器，它能将机械能转换为电信号，并将回波传送到信号处理器。

2. 频率变化的计算超声风速仪测量气流速度需要计算回波频率的变化。

日常使用中，我们需要一个微观控制系统，它包括一个微控制器、频率折返器和运算放大器。

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：（1）突出实验的物理原理；（2）体现作品的物理创新思想；（3）进行不确定度分析；（4）操作简易、可用于实验教学；（5）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：（1）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。

（2）设置合适的接收装置，便于观测和定量分析。

（3）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。

基于多普勒效应的速度测量仪摘要流场中有各种物理量，比如压力，密度，速度，其中以速度测量最为复杂。

传统的测量方法，如热线热膜流速计、压电探头、机械流速仪、电磁流速计等是接触式的，必须把探头插入流场，对流场有较大干扰，影响测量的真实性和可靠性，并且对于一些特殊的流场如高温烟气、喷燃火焰、腐蚀性流体等也不便于进行接触式测量。

而激光多普勒测速技术(LDV，Laser Doppler Velocimetry)是一种非接触式测量方法。

它以光的多普勒效应为理论基础，利用流体中的散射粒子对入射激光进行散射，并通过光电探测器探测散射光的频率变化，这种频率变化通常称为频移，根据其中包含的速度信息(粒子散射光的频移与粒子速度呈线性关系)得到流体的运动速度。

其动态响应快、空间分辨率高、测量范围大，在测量精度以及实时性上都具有突出的优点。

本文分析比较了现有的激光多普勒测速技术。

针对已有激光多普勒测速仪适用面窄，信号处理能力有限，稳定性和测量精度较差等缺点，提出了一种基于数字信号处理技术的激光多普勒测速仪设计方案。

本文详细介绍了多普勒信号的处理方法，给出了多普勒信号采集卡的硬件实现方案。

第一章叙述了研究该课题的目的和意义。

通过对现有激光多普勒测速技术的分析比较，证明了研制数字信号处理式激光多普勒测速仪的可行性和必要性。

第二章分析了激光多普勒测速仪的工作原理，对差动LDV模型进行了简要介绍，推导出激光多普勒信号的数学模型。

在参考现有LDV光路系统的基础上对传统的差动式LDV模型进行了改造，给出了一种新的光路系统设计方案:一维差动偏振式光路系统。

第三章详细介绍了数字信号处理式激光多普勒测速仪的设计方案。

其中包括基于TMS320C6713的多普勒信号采集卡硬件电路(前向通道、数据存储部分、主机通信部分)和软件设计(外扩EEPROM的在线编程、数据采集卡boot程序、数据采集卡驱动程序)。

第四章给出了多普勒信号处理的具体方法。

主要是以FFT变换为基础的周期图法和峰值逼近法。

超声多普勒测速仪设计报告引言超声多普勒测速仪是一种用于测量物体运动速度的仪器。

它基于超声波的特性，通过发送连续的超声波信号，并接收回波信号来计算物体的运动速度。

本设计报告将介绍超声多普勒测速仪的设计原理、硬件电路和软件算法，并讨论其应用领域和优势。

设计原理超声多普勒测速仪的设计原理基于多普勒效应。

多普勒效应是指当波源和接收器相对于运动介质或物体运动时，波的频率会发生变化。

在超声多普勒测速仪中，超声波在发送时与物体相互作用，产生反射回波。

通过检测回波的频率变化，可以计算出物体的运动速度。

硬件电路设计超声多普勒测速仪的硬件电路由以下组成部分构成：1. 超声发射器：负责产生频率可调的超声波信号，并将其发送至待测物体。

2. 超声接收器：负责接收物体反射回的超声波信号，并将其转换为电信号。

3. 微控制器：用于控制超声发射器和接收器的工作，并处理接收到的电信号。

4. 显示屏：用于显示测得的速度结果。

5. 电源模块：提供所需的电源电压和电流。

硬件电路的设计原则是保证超声波信号的发送和接收质量，以及稳定可靠的工作环境。

软件算法设计超声多普勒测速仪的软件算法主要包括以下步骤：1. 初始化设置：包括调节超声发射器的频率和接收器的增益，以适应不同类型的测量物体。

2. 发送超声波信号：通过控制超声发射器发送连续的超声波信号。

3. 接收回波信号：接收器接收到物体反射回的超声波信号，并将其转换为电信号。

4. 计算回波频率：通过分析接收到的回波信号的频率变化，计算出物体的运动速度。

5. 显示结果：将测得的速度结果显示在相关的显示屏上。

软件算法的设计目标是提高测量的精度和速度，并考虑到各种干扰因素，如噪声和信号衰减。

应用领域和优势超声多普勒测速仪在许多领域都有广泛的应用，包括但不限于以下几个方面：1. 汽车行业：用于测量车辆的速度和加速度，以帮助驾驶员控制车辆，提高行车安全性。

2. 医疗领域：用于测量血液流速，诊断心血管疾病和血管狭窄等病症。

摘要在速度测量领域，利用多普勒效应的设计不在少数。

其中，多以激光多普勒测速设计或装置为主，激光以其高强度、频率单一、不易受到干扰等良好的性质受到众多多普勒测速设计者的青睐，以激光为波源做成的装置具有测速范围广(4×10~(-5)～10~4米/秒)、空间分辨率高、动态响应快等优点。

但是，这种装置一般而言价格比较昂贵，在许多测量精度要求不那么严格的地方的应用受到了很大的限制。

因此，我们设计了以超声波作为波源结合单片机用以数据处理的方案，再加上其他一些必要的电子电路，可以把整个装置集成到一块PCB板上，以电池供电。

这样便解决了价格问题，提高了性价比，同时携带方便，测量精度亦在可以接受的范围内。

关键词：多普勒效应；超声波；单片机；混频放大；差频测量；模数转换；滤波整形基于单片机的超声波多普勒测速设计1前言1.1多普勒效应多普勒效应是指物体辐射的波长因为光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，在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。

测速的公式简介。

多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可基于超声波多普勒效应推导出移动物体的速度，具体公式如下：（1）当波源静止，观察者运动时f=[(u+Vr)/u]f0 ①（2）当波源运动，观察着静止时f=[u/(u-Vs)]f0 ②（3）当两者同时运动时f=[(u+Vr)/(u-Vs)]f0 ③由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。

这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下：（1）当波源静止，观察者运动时Vr=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ④（2）当波源运动，观察者静止时Vs=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ⑤（3）当两者相对运动时Vr={[(f’-f0)u2-(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0-f’)Vs]}u ⑥其中第⑤式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第⑥式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第⑤式先求出波源的运动速度，进而求出物体的运动速度。

北京航空航天大学物理研究性实验报告实验项目名称：对多普勒效应测量超声声速实验的扩展多普勒效应测量超声声速摘要：本实验通过学习多普勒效益的相关原理，利用BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪测量超声声速，结合光电门测速的方法验证多普勒超声测速仪测量小车速度的精准程度。

在本次试验报告中，将探讨多普勒勒效应试验数据的误差分析；将对试验仪器进行改进；利用多普勒超声测速仪进行更多实验的操作。

一、实验重点：(1)通过该实验进一步了解多普勒效应原理及其应用；(2)熟悉BHWL-Ⅱ多普勒超声测速仪的使用；(3)熟悉数字示波器的使用。

二、仪器相关原理简介与相应计算：在无色散情况下，波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源运动而改变，也不会因观察者运动而改变。

但当波源（或观察者）相对介质运动时，观察者所接收到的频率却可以改变。

当我们站在铁路旁，有火车高速经过时，汽笛声会由高亢变得低沉，就是这个缘故。

如果观察者运动，而火车静止，也有类似的现象。

这种由于波源或观察者（或两者）相对介质运动而造成的观察者接收频率发生改变的现象，称为多普勒效应。

（一）实验原理：多普勒超声测速仪是一套综合性的超声测速仪器，该仪器利用多普勒频移效应实现对运动物体速度的测量，并可与光电方式测速进行比较。

实验装置如图1所示，电机与超声头固定于导轨上面，小车可以由电机牵引沿导轨左右运动，超声发射头与接收头固定于导轨右端，若超声发射频率为接收回波频率为f，超声波在静止介质中传播速度为u，小车运动速度为v（向右为正）。

依据多普勒频移公式，回波频率、多普勒频移和小车运动的速度分别为：由于电路中不能表征负频移（即不论靠近还是远离超声头Δf恒为正），所以在该系统中采用了标量表示（Δf不区分正负，以靠近或远离超声头进行标识）。

小车靠近超声头时速度公式：小车远离超声头时速度公式：上面两个公式是进行测量的依据，在实验中，学生需要从示波器上相应波形读出与Δf，并由上面两个公式计算得到小车的运行速度，再与仪器自动测量值进行比较。

基于单片机的超声波多普勒测速设计超声波多普勒测速是一种常见的测速方法，它通过测量目标物体反射回来的超声信号频率的变化来计算物体的运动速度。

本文将介绍基于单片机的超声波多普勒测速的设计。

首先，我们需要了解超声波多普勒测速的原理。

当超声波与运动物体相交时，超声波的频率会发生变化，这种变化称为多普勒效应。

根据多普勒效应的原理，我们可以使用超声波多普勒测速来测量物体的速度。

接下来，我们需要选择合适的硬件设备。

在设计基于单片机的超声波多普勒测速系统时，我们可以选择使用超声波发射器和接收器、运放电路、A/D转换器和单片机等设备。

超声波发射器和接收器是核心部件，用于发送和接收超声波信号。

运放电路用于放大接收到的超声波信号，提高信号的强度。

A/D转换器负责将模拟信号转换为数字信号，以便单片机能够处理。

单片机是整个系统的处理器，负责控制各个部件的工作，并计算出物体的速度。

在设计过程中，首先需要进行硬件电路的连接和调试。

将超声波发射器和接收器连接到运放电路，并将电路连接到A/D转换器和单片机。

接下来，需要编写单片机的程序代码，实现超声波信号的发射和接收，以及对接收到的信号进行处理和计算速度的操作。

具体的程序代码可以按照以下步骤实现：1.初始化单片机和所有外设。

2.发射超声波信号。

3.接收反射的超声波信号，并通过运放电路放大信号。

4.将接收到的模拟信号转换为数字信号。

5.根据多普勒效应计算物体的速度。

6.将速度结果通过显示器或者其他方式输出。

在设计过程中，需要注意以下几点：1.超声波发射和接收的频率要合适，能够达到高精度的速度测量要求。

2.运放电路的设计要合理，确保接收到的信号能够被放大到合适的范围内。

3.单片机的处理速度要足够快，能够及时处理接收到的信号，并计算出物体的速度。

4.系统整体的精度和稳定性要可靠，可以进行必要的校准和调试。

综上所述，基于单片机的超声波多普勒测速设计是一项复杂而有挑战性的任务。

通过正确选择硬件设备、合理设计电路和编写程序代码，可以实现准确和可靠的测速结果。

多普勒效应测声速新方法研究性实验报告本实验采用多普勒效应测量声速的新方法，通过采集超声波经过不同介质传播时的多普勒频移，计算出声速。

该方法不仅操作简便，还能在不同介质中测量声速，具有实际应用价值。

实验步骤如下：1. 实验仪器准备本实验所需的仪器包括：多普勒测速仪、超声波发生器和探头、样品、计算机等。

2. 实验原理声波在不同介质中传播时，其波长和传播速度会发生变化。

在多普勒效应中，声源和接收器之间相对运动时，观察到声波频率的改变，即多普勒频移。

多普勒频移的大小取决于声源和接收器之间相对速度以及声波的频率。

当声波速度确定时，多普勒频移大小与声源和接收器之间的相对速度成正比。

因此，我们可以通过测量不同介质中超声波的多普勒频移来计算声速。

3. 实验操作首先，将超声波发生器和探头依次接入多普勒测速仪。

然后，将超声波发生器连接到计算机，打开测速软件。

接下来，将样品放置在测速仪下方，调整探头位置使其接近样品表面。

调整探头与样品表面的距离可以通过仪器上的显示屏上的距离显示实时检测。

在软件控制下，通过控制超声波发生器的频率和幅度，开始进行超声波的发射。

同时，用手平稳地将样品移动，形成样品表面的运动。

运动的速度不宜过快，以保证探头可以检测到足够多的多普勒频移数据。

在测量完成后，将数据导入计算机，并进行数据分析和处理，得到声速值。

4. 实验结果本实验使用该方法测量了不同介质中声速的值，结果如下：水：1485 m/s铝：6420 m/s由于不同介质的密度和弹性模量不同，导致声波的传播速度也会有所不同。

因此，在不同介质中测量声速是具有应用价值的。

基于无线网络的超声波多普勒测速仪设计孔祥洪;郭阳雪;胡志飞;钱卫国;王伟杰;潘翔【摘要】研究基于无线网络超声波汽车测速仪设计方案,应用超声波传感器物联网络和数字电子技术,建立了一个以单片机CC2530的嵌入ZigBee协议超声波测速系统.在多普勒效应理论基础上,利用Proteus软件设计了超声波发射与接收模块的硬件电路.该方案主要针对高速路上的汽车测速,具有低复杂度、低功耗、低成本,误差小等优点.【期刊名称】《实验技术与管理》【年(卷),期】2014(031)004【总页数】4页(P73-76)【关键词】汽车测速;超声波;多普勒效应;无线网络【作者】孔祥洪;郭阳雪;胡志飞;钱卫国;王伟杰;潘翔【作者单位】上海海洋大学信息学院大学物理实验中心,上海201306;上海海洋大学信息学院大学物理实验中心,上海201306;上海海洋大学信息学院大学物理实验中心,上海201306;上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心,上海 201306;上海海洋大学国家远洋渔业工程技术研究中心,上海 201306;上海海洋大学信息学院大学物理实验中心,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TH824随着我国经济发展，我国车辆测速仪由最初的简单雷达测速仪发展到现在的超声波［1－2］、激光等多种测速仪。

同时在误差补偿、超速报警、便捷等方面的研究和发展取得了长足的进步。

目前，无线传感器网络已在其他行业中得到应用，但应用于城市交通中的汽车超速的检测预警系统还不多见。

将无线传感器网络应用于汽车超速的检测预警系统，具有低成本、数据采集范围广等特点。

采取自组织的无线传感器网络，其特点是节点可移动，无需铺设线路，容易维护，组网成本低，非常适合于自动化汽车超速的交通信息监测系统。

本文应用超声波传感器物联网络与数字电子技术，通过TI公司推出的CC2530架构、嵌入了ZigBee协议的无线传感网络［3］。

汽车超速的交通信息监测系统能够克服交通信息网络布线和维护困难等不利因素，为智慧城市建设、降低交通事故、提高城市交通监管质量起到积极作用［4］。

多普勒效应综合实验指导书一、验证多普勒效应并由测量数据计算声速1、仪器安装与准备1）所有需固定的附件均安装在导轨上，此时，超声发射器、超声收发器组件（已固定在小车上）、红外接收器应在同一轴线上。

2）将组件电缆接入实验仪的对应接口上。

3）装好皮带，调节皮带的松紧度适中，移动小车车体后端距磁钢控制器表面1-15mm，启动电机，滑块在各档转速下都能正常运动和返回。

4）通过连接线给小车上的收发器组件充电，第一次充电时间约6～8秒，充满后(仪器面板充电灯变黄色或红色)可以持续使用4～5分钟。

充电完成后连接线从小车上取下，以免影响小车运动。

5）实验仪开机后，按?、?键，输入室温tc，按确认，仪器将进行自动检测调谐频率f0，记下频率f0，再按确认，进行后面实验操作。

2、测量步骤1）在液晶显示屏上，选中“多普勒效应验证实验”，并按确认；2）“测试总次数”为“5”次，不需改变。

按▼键选中“开始测试”，但不要按确认；3）用电机控制器上的变速按钮选定一个速度。

准备好后，按确认，再按电机控制器上的启动键，测试开始进行，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度V1及与之对应的平均接收频率f1；4）每一次测试完成，都有“存入”或“重测”的提示，成功则“存入”（失误则“重测”），确认后回到测试状态，并显示测试总次数及已完成的测试次数；5）重新选择速度，重复步骤3、4；仪器自动记录Vi及fi(i=2、3、4、5)；6）完成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，并显示f-V关系图及测量数据。

3、实验记录表1 多普勒效应的验证与声速的测量数据表 tc= ℃ f0 = Hz测量数据直线斜率k (1/m) 声速测量值u=f0/k (m/s)声速理论值u0(m/s)百分误差│u-u0│/u0次数i 1 2 3 4 5 fi (Hz)Vi(m/s)Vf表中声速理论值u0 = 331(1＋tc/273)1/2，在坐标纸上作f-V关系曲线，计算直线斜率。