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DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验
实验报告
一：实验目的
多普勒效应是一种与波动紧密相关的物理现象.利用多普勒效应可以测量运动物体的速度，但目前许多高校使用的多普勒效应实验仪集成化和智能化程度太高,实验时需要学生动手操作的环节太少;信号的转换、传输和处理过程不透明,不利于学生在实验过程中细致观察各种物理现象,分析测量误差的来源等,难以满足深入培养学生自主动手能力和观察分析能力的需要.本实验以商用超声多普勒实验系统(杭州大华DH-DPL1的导轨模块作为开发平台,以模拟乘法器作为测量系统的核心单元;实验过程中学生需自行搭建信号拾取和处理电路,并利用示波器观察各个环节的信号波形,有助于培养学生得动手能力，并加深对多普勒效应及对模拟电子实验的理解。
二：实验原理
根据声波的多普勒效应公式,当声源与接收器之间有相对运动时,接收器收到的信号频率f为：
f=f0(u+v1cosα1/(u-v2cosα2……………(1
式中f0为声源发射频率,u为声速,v1为接收器运动速率,v2为声源运动速率,α1是声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,α2是声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角.
在实验过程中,声源保持不动,接收换能器在导轨上沿声源与接收换能器连线方向上运动,则从式(1可以得到接收换能器上得到的信号频率为：
f=f0(1+v/u…………….(2
式中v为接收换能器的运动速度,当向着声源运动时,v取正,反之取负.利用式(2可以得到接收换能器的运动速度为：
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v=u(f-f0/f0=uΔf/f0………..(3式中Δf=f-f0为多普勒频移.在本研究中,采用的信号处理电路如图1所示,
其中模拟乘法器采用了AD633,其信号的输入输出关系为：
W=(x1-x2(y1-y2/10+z……………(4
若输入到AD633的信号为x1=E1cos(2πf0t+φ1,y1=E2cos(2πft+φ2,x2、y2以及z均接地,则AD633的输出为：
W=E1E2{cos[2π(f+f0t+φ2+φ1]/20+cos[2π(f-f0t+φ2-φ1]}……………(5其中包含了两路信号的和频分量与差频分量.利用低通滤波器可以提取出其中的差频分量,即多普勒频移,从而计算出接收换能器的运动速度.
在实际测量过程中,由于接收换能器与声源(发射换能器的距离在不断变化过程中,因此接收换能器输出信号的幅度不是恒定值.为了保证乘法器的输出信号幅度稳定,本研究中采用OA1组成的限幅放大电路,使输入到乘法器的信号幅度保持恒定值,以便于观察.因为本实验中只关心输出信号的频率,因此对接收换能器输出信号幅度的处理不会影响到实验结果.利用OA2构建的有源低通滤波器,可以有效提取出多普勒频移信号.
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三：实验仪器
本研究所使用的机械平台是杭州大华出品的DH-DPL1多普勒效应实验仪的导轨.在该
