[实用新型]多普勒效应及声速综合实验仪

说明书

技术领域

本实用新型属于物理教学实验器材，尤其涉及一种多普勒效应及声速综合实验仪。

背景技术

中国专利文献85201051公开了一种“激光多普勒效应演示仪”，该仪器在激光光路系统中采用一个两片平面平行的光栅组成的双光栅结构，一片光栅可相对另一片光栅移动，光电二极管接收光频的多普勒频移信号后经过放大可同时驱动扬声器和输入示波器，从而演示多普勒频移的物理现象。这种结构的实验仪借助于激光来演示多普勒效应，能得到因光栅移动而形成的多普勒频移，但不能测量出频移值，更不能测量运动速度与多普勒频移的量值关系；光栅的移动只能靠手控制，不能准确可控；实验内容单一，不能测量空气中的声速，只能做演示性实验，功能具有较大的局限性。

发明内容

本实用新型主要解决原有多普勒效应实验仪只能做演示性实验，不能测量出频移值，更不能测量运动速度与多普勒频移的量值关系的技术问题；提供一种能准确测量出多普勒频移的量值、能测量运动速度与多普勒频移的量值关系的多普勒效应及声速综合实验仪。

本实用新型同时解决原有多普勒效应实验仪不能测量空气中的声速、运动状态不能准确可控、实验内容单一的技术问题；提供一种可多种方法测量空气中的声速、能产生直线匀速运动和变速运动、实验内容丰富、实验种类多样的多普勒效应及声速综合实验仪。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括测试架及与测试架电连接的实验仪、智能运动控制系统；所述的测试架包括底板，底板一头固定有发射换能器，另一头固定有带有传动带的步进电机，传动带位于发射换能器和步进电机之间，传动带上设有接收换能器；所述的实验仪包括微处理器及与微处理器相连的频率/时间处理电路、信号发生电路、按键、显示单元，信号发生电路与测试架上的发射换能器电连接，频率/时间处理电路与测试架上的接收换能器电连接；所述的智能运动控制系统包括微处理器及与微处理器相连的步进电机驱动电路、按键、显示单元，步进电机驱动电路与测试架上的步进电机电连接。由实验仪的微处理器控制信号发生电路发出信号给测试架上的发射换能器，发射换能器产生超声波，显示单元显示发射超声波的频率；智能运动控制系统的微处理器根据按键输入的指令，输出数据到步进电机驱动电路，控制测试架上步进电机的运转，步进电机通过传动带带动接收换能器进行匀速运动或变速运动，且运动的速度可调；接收换能器将接收到的超声波转换成电信号，经实验仪的频率/时间处理电路输送给微处理器，经微处理器处理再送显示单元直观地显示出接收到的超声波的频率。直观地获得发射、接收的超声波频率的不同值，得到多普勒频移的量值，测量出运动速度与多普勒频移的量值关系。实验中只要按要求接好电连接线，通过按键设置实验值，就能方便地得到实验结果。操作方便，实验结果直观，多普勒效应明显。

作为优选，所述的测试架的底板上设有一个测速光电门，所述的接收换能器设有固定间隔的前、后两个挡光片；所述的实验仪中的微处理器还连接有测速处理电路，测速处理电路与测速光电门电连接。当接收换能器运动经过测速光电门，其上的两个挡光片先后经过测速光电门，使测速光电门获得两个间隔的信号，再输送给实验仪的测速处理电路，再给微处理器，微处理器通过计算两挡光片经过光电门信号的时间差，从而测出接收换能器的运动速度，再结合接收到的超声波频率与发射频率的关系计算出超声波的传播速度。

作为优选，所述的测试架的底板上设有两个限位光电门，两个限位光电门分别与传动带的头尾端对应；所述的智能运动控制系统中的微处理器还连接有限位处理电路，限位处理电路与两个限位光电门电连接。当接收换能器运动到传动带的两头时，通过其上的挡光片遮挡限位光电门，使限位光电门获得信号，再输送给智能运动控制系统的限位处理电路，再给微处理器，微处理器经处理发出信号使电机停转，从而使接收换能器运动到传动带两头时能自动停止。

作为优选，所述的测试架的底板上安装有直线导轨，直线导轨位于传动带的下方，所述的接收换能器与设于直线导轨上的运动滑块相连。使接收换能器受传动带的带动在直线导轨上滑动，确保接收换能器能沿直线导轨进行直线运动，运动摩擦力小且平稳。

作为优选，所述的实验仪的壳体上设有两个波形输出接口，两个波形输出接口分别与频率/时间处理电路、信号发生电路相连。通过实验仪中的微处理器的控制，可以输出连续波和脉冲波，再通过示波器能观察发射、接收的超声波的波形的不同，进一步观察多普勒效应，观测不同位置的发射、接收的超声波的波形，还能用驻波法、相位法测量超声波的传播速度。