三、实验原理

三、实验原理

（1）超声的多普勒效应

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，接收器接收到的频率f为

式中　f0——声源发射频率；

u——声速；

V1——接收器运动速率；

α1——声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角；

V2——声源运动速率；

α2——声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角（图3.12）。

图3.12　超声的多普勒效应示意图

若声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度V运动，则从式（3.47）可得接收器接收到的频率应为(https://www.daowen.com)

当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负。

若f0保持不变，以光电门测量物体的运动速度，并由仪器对接收器接收到的频率自动计数，根据式（3.48），作f⁃V关系图可直观验证多普勒效应，且由实验点作直线，其斜率应为

由此可计算出声速

由式（3.48）可解出

若已知声速u及声源频率f0，通过设置使仪器以某种时间间隔对接收器接收到的频率f采样计数，由微处理器依照式（3.51）计算出接收器运动速度，由显示屏显示V⁃t关系图，或调阅有关测量数据，即可得出物体在运动过程中的速度变化情况，进而对物体运动状况及规律进行研究。

（2）超声的红外调制与接收

早期产品中，接收器接收的超声信号由导线接入实验仪进行处理。由于超声接收器安装在运动物体上，导线的存在对运动状态有一定影响，导线的折断也会给使用带来麻烦。新仪器对接收到的超声信号采用了无线的红外调制⁃发射⁃接收方式。即用超声接收器信号对红外波进行调制后发射，固定在运动导轨一端的红外接收端接收红外信号后，再将超声信号解调出来。由于红外发射／接收的过程中信号的传输是光速，远远大于声速，它引起的多普勒效应可忽略不计。采用此技术将实验中运动部分的导线去掉，使得测量更准确，操作更方便。信号的调制⁃发射⁃接收⁃解调，在信号的无线传输过程中是一种常用的技术。