超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速儀的設(shè)計(jì)(已修改)
2025-01-25 19:04 本頁(yè)面
【正文】 嘉應(yīng)學(xué)院 物理與光信息科技學(xué)院超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速儀一、題目分析本設(shè)計(jì)為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)大賽基礎(chǔ)題，其設(shè)計(jì)的原理基于多普勒效應(yīng)。題目的任務(wù)為：設(shè)計(jì)與多普勒效應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，觀測(cè)其物理現(xiàn)象，基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析被測(cè)對(duì)象的物理過(guò)程（物理量）。要求：（1）突出實(shí)驗(yàn)的物理原理；（2）體現(xiàn)作品的物理創(chuàng)新思想；（3）進(jìn)行不確定度分析；（4）操作簡(jiǎn)易、可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)；（5）性價(jià)比高。從題目命題來(lái)看，目的非常明確，就是設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)使之能觀測(cè)多普勒效應(yīng)并能測(cè)定相關(guān)物理量。實(shí)現(xiàn)這個(gè)基本點(diǎn)的基礎(chǔ)上，要求體現(xiàn)作品的物理創(chuàng)新思想與實(shí)用性。再者，實(shí)驗(yàn)裝置成本低，性能好。創(chuàng)新的一個(gè)基本認(rèn)識(shí)是：通過(guò)創(chuàng)造或引入新的技術(shù)、知識(shí)、觀念或創(chuàng)意創(chuàng)造出新的產(chǎn)品、服務(wù)、組織、制度等新事物并將其應(yīng)用于社會(huì)，以實(shí)現(xiàn)其價(jià)值的過(guò)程。價(jià)值包括其經(jīng)濟(jì)價(jià)值、社會(huì)價(jià)值、學(xué)術(shù)價(jià)值和藝術(shù)價(jià)值等。這里要求設(shè)計(jì)能夠體現(xiàn)物理創(chuàng)新思想，即意味著設(shè)計(jì)需要另辟蹊徑，走一條新路子。至少要避開(kāi)實(shí)驗(yàn)室已有的傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。實(shí)用性明確：操作簡(jiǎn)易，可用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。這就要求設(shè)計(jì)人性化，易于交互，原理明確，測(cè)量準(zhǔn)確。性價(jià)比指標(biāo)則要求控制成本，在實(shí)現(xiàn)同樣的功能前提下其成本更加低廉。為此首先必須正確理解多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)描述的是波源或觀察者，或者兩者同時(shí)相對(duì)于介質(zhì)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率與波源的振動(dòng)頻率不同，即發(fā)生了頻移。由此可知，這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本任務(wù)必須立足幾點(diǎn)：（1）波源選擇。多普勒效應(yīng)是一切波動(dòng)過(guò)程的共同特征，它適用的對(duì)象是波。機(jī)械波與電磁波（光波）均可作為本次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的分析對(duì)象。水波、聲波、光等都可以作為波源。波源選擇不同，其對(duì)應(yīng)的檢測(cè)方法不同，難度也不一樣。（2）設(shè)置合適的接收裝置，便于觀測(cè)和定量分析。（3）測(cè)量對(duì)象。利用多普勒效應(yīng)可以測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度、液體的黏度[1]等。本實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象定為運(yùn)動(dòng)物體的速度。二、方案論證根據(jù)題目分析，可選波源基本上是水波、聲波與光波三種波源之一。從直觀性和形象性指標(biāo)來(lái)看，水波多普勒現(xiàn)象最為直觀，聲波在聽(tīng)閾范圍內(nèi)較為直觀，光波在必須借助儀器，直觀性相對(duì)較弱。從可操控性指標(biāo)而言，水波的操控性不易控制，聲波與光波相對(duì)較好。從成本指標(biāo)來(lái)看，水波最為廉價(jià)，聲波其次，光波則偏高。如果能很好的控制水波波源的穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)物美價(jià)廉的設(shè)計(jì)目標(biāo)。其次是利用超聲波。此外，由于處理物理信號(hào)沒(méi)有處理電信號(hào)那樣便捷，因此都將采用轉(zhuǎn)換電路，將物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，可以直接選擇頻率為測(cè)量對(duì)象，這樣可直接的驗(yàn)證上述原理。通常的測(cè)量方法多為利用電路得到頻移信號(hào)，并通過(guò)存儲(chǔ)示波器測(cè)量該頻移量[1]。如此一來(lái)，測(cè)試儀器相對(duì)大而笨重，僅適合于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用。相較而言，采用直接測(cè)量頻率更為直接與直觀，相應(yīng)的代價(jià)卻較小，利用單片機(jī)系統(tǒng)即可勝任數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理與顯示?；谇懊娴姆治龊捅阌贒IY以制作，最后決定利用超聲波來(lái)完成。原因之一在于超聲波已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生活，如運(yùn)動(dòng)測(cè)速和彩超。同時(shí)通過(guò)這種方式，可以更好的理解和體驗(yàn)理論與實(shí)踐之間的差距。之二是：以水波為研究對(duì)象雖然直觀形象，但是它需要耗費(fèi)大量的水。作為一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)也許可選，但是如果作為學(xué)生實(shí)驗(yàn)則與現(xiàn)今
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