声学多普勒测速技术应用77页PPT

误差应为
当采用詹纳斯配置时，两个波束独立测量频率。
x' x12 x22 2 2NCcos dvx 22
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例如，当N=32，cosα＝0.5，要求测速误差为
dvx 0.1m/s，允许的一个周期内的相对时间测量
误差为
x2 2N0.50.10.003 1500
t2 设发射脉冲宽度为T， 则当脉冲后沿离开换能 器表面时，目标已向声 呐靠近了vT。
vt2 / 2 vT
若其往返时间为t2，在t2时间内目标又向声呐靠近 vt2 / 2 。
因此有 L12v2tvT12C2t
由此得到后沿的往返时间为
xv/c
t2
2L/C2xT 1x
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5.2 舰船多普勒测速原理
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有限波束宽度的影响
波束宽度 －－多普勒频移扩展
fd 2xTf2cvx fTcos
fd
2vx C
fTsin


1 2
3dB
相对频移扩展为 fd tan
减小有限波束宽度影f响d 的方法
α
多次独立测量求平均；测量M次，平均后误差可降低 1 倍。 M
计算法定位导航设备
机械式导航设备：水压式测速计、拖曳式旋转流量计等。
电子式导航设备：电磁计程仪、声多普勒计程仪和声相关 计程仪。
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5.1 引言
多普勒现象
目标与声源的相对运动（相向、相离） 声源和接收一体的情况 多普勒速度解算公式
舰船的测速原理、方法 测速误差产生的原因
由解算公式近似引起的误差
船舶摇摆引起的测速误差及摇摆补偿

这个方程可以进一步简化为
df(t)/dt = w + (2π/T)sin(wt) 其中T是周期，π是圆周率。这个方程可以描述一个信号的频率随着时间的 变化而变化。通过解这个微分方程，我们可以得到信号的频率随时间的变
化曲线。 其次，频移还可以用线性代数的矩阵运算来描述。假设我们有一个长度为 N的向量f(t)，其中每个元素都是一个时间点上的频率值。那么，对于一个 长度为N的向量Δf(t)，其中每个元素都是一个微小的频率值，我们可以使 用矩阵乘法来计算频移的影响。具体来说，我们可以将Δf(t)表示为一个矩
其次，无线电通信在企业中也非常重要。企业可以使用无线电通信 技术来连接其员工和设备。例如，公司可以使用Wi-Fi网络来连接员 工计算机和打印机，以便快速共享文件和通信。此外，企业还可以 使用无线电通信技术来监控其设施和设备，以确保它们正常运行。
医学诊断技术中的应用
Application in medical diagnostic technology
频移产生的原因
频移是指信号在传输过程中频率发生的变化。这种变化可能 是由于信号在传输过程中受到不同频率的干扰，或者由于信 号本身的频率不准确所导致的。频移可能会导致信号失真， 影响信号的质量和性能。
频移的数学描述
标题：《频移的数学描述》
在许多物理现象和工程应用中，频移是一个重要的概 念。频移指的是一个信号的频率相对于参考频率的变 化。在数学上，频移可以描述为频率的微小变化，这 种微小变化可以通过微积分和线性代数等数学工具进 行计算和分析。 首先，频移可以用频率的微分方程来描述。对于一个 周期函数f(t)，其频率为w，频移为Δf，那么它的微 分方程可以表示为： df(t)/dt = w + Δf

四实验内容和步骤
4、数据记录与处理
L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9 L10 L11 L12
V f
V c0
c0
五 报告要求
1.数据记录 2.数据处理与误差分析 3. 实验结论与总结 思考题
1.火车进站和出站时，坐在火车上的 乘客能感受到汽笛的音调发生变化吗？ 为什么？ 2.分析压电陶瓷换能器的工作原理
四 实验内容和步骤
4、数据记录与处理
L1 L2 L3 L4 L5 L6
L7 L8 L9 L10 L11 L12
V f
V c0
c0
四 实验内容和步骤
c0 ： c0
驻波法测量
实验步骤： 1、按照多普勒法实验步骤进行操作，使调谐成功。 2、切换到“多普勒效应实验”画面进行实验，关闭导轨电源。 3、逐渐移动小车的距离，同时观察接收波的幅值，找出相邻 两个振幅最大值（或最小值）之间的距离差，此距离差为声 速的半个波长λ /2，通过声波的波长λ 和频率f即可算出声速 。记录下幅度为最大时的距离Li-1，再向前或者向后（必须是 一个方向）通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动， 当接收波经变小后再到最大时，记录下此时的距离Li。即可 求得声波波λ i=2│Li-Li-1│。
二实验原理
驻波法测量原理
三 实验仪器
（1）主测试仪面板图 （2）智能运动控制面板图
三实验仪器
正负电极片
后盖反射板 压电陶瓷片
辐射头
超声波产生：逆压电效应 超声波接收：正压电效应
（3）线路连接示意图
三 实验仪器
注意：
1、使用时，应避免信号源的功率输出端短路。 2、注意仪器部件的正确安装、线路正确连接。 3、仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统，严禁运行过 程中人为阻碍小车的运动。 4、注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5、小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行，意外触发行程 开关后要先切断测试架上的电机开关，接着把小车移动到导轨 中央位置后再接通电机开关并且按一下复位键即可。

05
声速测量的实际应用案例
水下声速测量在海洋探测中的应用
总结词
水下声速测量在海洋探测中具有重要意义，能够提供海洋环境参数、水下地形地貌、水下目标物等信 息。
详细描述
水下声速测量是通过声波在水中传播的速度进行测量，可以获取水深、水温、盐度、流速等海洋环境 参数，同时还可以探测水下地形地貌和目标物，如沉船、潜艇等。这些信息对于海洋科学研究、海洋 资源开发、海洋环境保护等方面具有重要意义。
分析实验结果，探究声速与介质、温度等因 素的关系。
数据处理
根据实验数据计算声速的平均值、标准差等 统计指标。
结论总结
根据实验结果得出结论，总结实验的意义和 价值。
04
声速测量中的误差分析
测量误差的来源
仪器误差
测量仪器本身存在的误差，如灵敏度、 分辨率等。
环境因素
如温度、湿度、气压等环境条件的变 化，可能影响声速的测量结果。
用于记录和处理实验数 据。
如水、玻璃板、橡皮泥 等，用于辅助实验操作。
选择一个相对安静、无 干扰的环境进行实验。
实验步骤与操作
安装设备
将声速测量仪的发射器和接收器分别固定在 两个相对的位置上，确保它们之间的距离可 调。
调试设备
调整发射器和接收器的角度和高度，确保信号 能够顺利传输。
开始测量
在电脑中打开声速测量软件，开始记录数据。
空气中声速测量在声音传播研究中的应用
要点一
总结词
要点二
详细描述
空气中声速测量在声音传播研究中具有重要价值，能够揭 示声音传播规律、声源特性以及声音控制技术。
空气中声速测量是通过测量声波在空气中的传播速度，可 以研究声音传播规律，如声波的干涉、衍射、散射等现象 。同时还可以研究声源特性，如声功率、声压级、频率特 性等。此外，空气中声速测量还可以应用于声音控制技术 ，如消音、隔音、声音定向传输等。这些研究对于声音环 境保护、声音信号处理、音频设备研发等方面具有重要意 义。

超声声速测定
太原理工大学物理实验中心
一、声波背景 二、实验目的 三、实验原理 四、实验仪器 五、实验内容 六、数据处理
一、声波背景
1、声音与我们的生活 2、声速测量的目的 3、声速测量的发展
1.声音与我们的生活
自然界中充满了各种各样的声音：收音机里播放的悦耳音 乐声，飞机掠过长空时扰人的噪声，狂风的呼啸声，海祷 的 怒吼声，爽朗的欢笑声，欢畅的交谈声，……等等，在日常 生 活中处处都可以听到。可见声音与我们的生活是密切相关 的。
lx2x1
(2)李萨如图法
从s1发出的超声波通过媒质达到接收头s2， 在发射波和接收波之间产生相位差，此相位差φ 和角频率ω（ω=2πf）、传播时间τ、声速v、距 离l、波长λ之间有下列关系：
2fv l 2l
由上式可知，若要使相位差φ改变2π，那么， s1和s2的间距l就要相应地改变一个波长λ 。于是， 根据相位差的2π变化，便可以测量出波长来。声 波频率由信号源读出，根据上式便可算出声速。
我们可以通过示波器来观察相位差。互相垂直 的两个谐振动的合成，能得到李萨如图形。如果两 个谐振动的频率相同，则李萨如图形就很简单。随 着两个振动的相位差从0→π变化，图形从斜率为 正的直线变为椭圆再变到斜率为负的直线。选择判 断比较灵敏的亦即李萨如图形为直线的位置作为测 量的起点。每移动一个波长的距离就会重复出现同 样斜率。
2. 相位法
波是振动状态的传播，也可以说是相位的 传播。沿传播方向上的任何两点，其振动状态 相同(同相: 相位差为0)或者说其相位差为2π的 整数倍时两点间的距离应等于波长λ的整数倍， 即
l = n λ (n为一正整数)
利用这个公式可测量波长。
相位法又可分为行波法和李萨如图形法。

C．多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生
的
D．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的
自主学习
名师解疑
分类例析
课堂对点演练
解析 当波源与观察者之间有相对运动时会发生多普勒效应， 故选项C正确；发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发 生了变化，而波源的频率并没有改变，故选项A错误、选项B 正确；此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，故选项 D正确． 答案 A
选项A正确．
答案 A
自主学习
名师解疑
分类例析
课堂对点演练
对多普勒效应的理解
1.如图2-4-1所示，为一波源O做匀速
直线运动时在均匀介质中产生球面
波的情况，则
( )．
A．该波源正在移向A点
B．该波源正在移向B点
C．在A处观察波的频率变低
D．在B处观察波的频率变低
图2-4-1
自主学习
名师解疑
分类例析
课堂对点演练
分类例析
课堂对点演练
一、多普勒效应 音调：音调由 频率 决定， 频率 高则音调高， 频率 低
则音调低．
多普勒效应：波源与观察者互相靠近或者互相远离时，接 收到的 波的频率 都会发生变化的现象．
自主学习
名师解疑
分类例析
课堂对点演练
二、多普勒效应产生的原因
波源与观察者相对静止时，1 s内通过观察者的波峰(或密 部)的数目是 一定 的，观察者观测到的频率 等于 波源
解析 波源在某一位置产生一列波面后，该波面以该位置为 球心，以波速作为传播速度向外传播，反之，由波面可确定 出该波面的产生位置，即波源．波面半径大，表示产生时间 早，传播时间长．对照图示，可确定出波源由右向左移动， 选项A正确、选项B错误．由于观察者不动，故波面经过观察 者的速度等于波速，而在A处观察时，相邻波面间距比波源 不动时间距小，因而经过观察者时间间隔短，频率大，同理 在B处时间间隔长，频率小，选项C错误、选项D正确． 答案 AD

心体与压静泡接回处脉下骨
静并静时脉，至抽。插静下
脉保脉，导转中，导管脉静
～压持导转管动心确管，、脉
测
定
方 法
测定→注意事项（！）
１、操作时必须严格无菌。 ２、测压管零点必须与右心房中部在同一平
面，体位变动后应重新校正零点。 ３、导管应保持通畅,否则会影响测压结果。 ４、中心静脉导管保留的时间长短与感染的
输 测 脉穿 料 菌 清
液 压 测刺 管 深 洁
导 管 压针 ， 静 盘
管 、 装， 单 脉 ，
。 三 置导 腔 导 静
( )
通 开 关 等
以 及
包 括 带 刻 度 的
引 钢 丝 ， 中 心 静
、 双 腔 或 三 腔 ）
管 （ 硅 胶 管 或 塑
l
脉 切 开 包 个 ， 无
，
→
测 定 用 品
预压管３ 部固２ 下静也内１
再次强调!!! “远端动脉检查不可小视”
病史:患者因车轮碾伤伴左大腿肿胀4小时
诊断:1.左侧股浅动脉分支假性动脉瘤并瘤内血栓形成
2.左侧足背动脉血流信号稀疏,动脉频谱消失(1.假性动脉瘤压 迫上段动脉所致? 2.上段动脉栓塞?)
中心静脉压（CVP）
目录
·中心静脉压简介 ·中心静脉压组成部分 ·中心静脉压适应症及途径 ·中心静脉压影响因素 ·中心静脉压临床意义及应用 ·中心静脉压测定的用具、方法及注意事项
周围血管超声检查运用的频谱技术为脉冲波多普勒 频谱(PW)
脉冲多普勒技术
声波的发射和接收由同一组晶片完成，探头发射一组脉冲群后，必须 间歇一段时间用于接收反射波信号才能再次发射下一组脉冲群。
脉冲重复频率（PRF）：每秒发射脉冲波的次数。

ADV(Acoustic-Doppler Velocimeter)声学多 普勒流速仪：其主要组成即为量测探头;信号调 理;信号处理三部分。上图即为量测探头，信号 调理和信号处理是利用计算机进行的。
(a)量测探头由三个10MHz的接收探头和一个发射探头组成,三 个接收探头分布在发射探头轴线的周围,它们之间的夹角为120°, 接收探头与采样体的连线与发射探头轴线之间的夹角为30°,采 样体位于探头下方5cm或10cm,这样可以基本上消除探头对水 流的干扰
2.ADV速度范围和信号强度: 在一般情况下，用户设定的速度范围应大于试验中出现的与 流动方向有关的最大流速。 信号强度是测量接受探头接受超声波信号强度的尺度，在 ADV中信号强度是用信号和噪音的比值，即信噪比SNR来衡量 的。信噪比主要可以检验水中是否存在足够的介质，如泥沙、微 粒等，来反射声波信号。如果水中粒子过少，返回的信号就会比 周围的噪音还要小，要是没有足够大的信号强度，ADV是不可 能进行精确测量的，所得的数据肯定和实际差别很大。
(b)信号调理器由检测微弱反射信号的模拟电路组成.
(c)数字信号处理由一个单独的电路板完成,主要针对输出频率为 25Hz的实时三维流速测量值的计算.
1. ADV的测量很重要参数是控制体距离发射探头约为5cm， 发射探头是一个圆柱体(体积0.08cm3)，由探头发射超声波，遇 到控制体后反射，并由接受探头接受反射的信号，因此，ADV 测量的实际是控制体与发射探头的相对运动速度。
声学多普勒流速仪的介绍
安徽工业大学冶金工程专业
汇报人：张玲颖
目录
一 二 三 四 五
ADV 声学多普勒流速仪
MicroADV超声测速仪基于多普勒效应(Doppler effect) 的理论。所谓多普勒效应是为纪念奥地利物理学家多普勒而 命名的，他于1842年首先提出了这一理论。

音调。
究竟波源的频率和观测者接收到的频率关系如何？
实验探究
模拟多普勒效应
为了进一步理解多普勒效应，可
做这样一个模拟实验(图3-40):让一队
人沿街行走，当观察者站在街旁不动
时，每秒钟有三个人从他身边经过。
这种情况下，观察者接收到的
“频率”是每秒三人，如果观察者逆
着队伍前进方向行走，那么每秒内与
观察者相遇的人数就会增加，也就是
观察者静止
观察
者接
收频
率
大于
小于
大于
小于
波源
的频
率
想一想
只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就
大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？
不对，如果观察者绕着波源做圆周运动，虽然
两者间发生了相对运动，但观察者接收的频率
与波源发出的频率依然相等，并未发生多普勒
效应。
多普勒效应是观察者与波源间的相对距离发生变化时产生的。
观察者接收到的“频率”增大。
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视频
新课讲解
模拟多普勒效应
新课讲解
模拟多普勒效应
（1）观察者静止不动，数经过的队伍中
的人数，每分钟假设有30个人经过。
f′=f
（2）当观察者逆Βιβλιοθήκη 队伍行走时，数经过的队伍中的人数，每分钟将大于30个人经过
。
f′>f
（3）当观察者与队伍同向行走且速度比
队伍的小时，数经过的队伍中的人数，每
波源静止，当观察者靠
近波源时，观察者接收


到的频率增大，当观察
者远离波源时，观察者
观察者
接收
>
波源

1 -20 0
0.2 0.4 0.6 0.8
1
-40
-60
-40
-80
-60
干涉 发射 反射
干涉 发射 反射
结论：每两个相临波腹（波节）间的距离为 2
实验方法 2．相位比较法
从S1发出的正弦波与S2收到的正弦波之间的相位差为 φ=ωt =2πf/v=2π l /λ
S1与S2之间变化一个波长λ，φ相位差变化，示波器上
点位移为波节的地方，声压为波腹。
在作为反射面的刚性平面处，空气质点的位移恒为零，声压恒为波
腹，其振幅为
p(l) 0va
sin kl
实验方法
当l改变时，刚性平面处声压振幅也改变，且
p(l ) p(l)
2
根据p(l)随l周期变化的原理，可求出半波长
按实验原理图将仪器接好，调整信号发生器的频率f （约
T0
P 气的饱和蒸汽压
实验装置
实验方法
1．共振干涉法
图中S1和S2，为压电陶瓷超声换能器，S1作为超声源(发 射)，低频信号发生器发出的正弦电压信号接到换能器后，即 能发出一平面声波。S2作为超声波的接收头，接收的声压转 换成电信号后输入示波器观察，S2在接收超声波的同时还反 射一部分超声波。
实验方法
所观察到的李萨如图随之变化一个周期。
实验方法
同时将信号源发射端接入示波器的X轴、反射端接入示波器 的Y轴，示波器采用X-Y扫描、这时示波器将显示一椭圆或 直线。
当移动接收换能器时将会发现：不仅椭圆的幅值大小会随发 射－接收的距离l发生变化，而且椭圆的相位亦发生变化。
利用李萨如图形找出同相（Φ=0）或反相（Φ=）时椭圆退 化为右斜或左斜直线，调整接收器的位置，注意屏幕上出现 的椭圆相位（例如Φ=0或Φ=），继续移动接收换能器、直 到椭圆或直线的相位完全重复上述椭圆或直线的相位、这时 所移动距离恰好为一个波长，为使测量值更加准确，可多移 动几个波长。采用逐差法处理数据。