声学多普勒测速仪终版.pptx
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第5章声学多普勒测速技术-PPT精品
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
2020/2/11
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。
2
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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
物理人教版(2019)选择性必修第一册3.5多普勒效应(共19张ppt)
声波频率：
观察者静 止
7个/10s
f收=f源 音调不变
逆着波传 播方向
声波频率：
f收>f源 音调升高
顺着波传 播方向
声波频率：
f收<f源 音调降低
新知教学：多普勒效应
1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁 道旁散步时就注意到了类似现象。他经过认真的研 究，发现波源与观察者相互靠近或者相互远离时， 接收到的波的频率都会发生变化。人们把这种现象 叫作多普勒效应。
新知教学：多普勒效应课后习题
2、火车上有一个声源发出频率一定的乐音．当火车静止、观察 者也静止时，观察者听到并记住了这个乐音的音调．以下情况 中，观察者听到这个乐音的音调比原来降低的是( BD ) A. 观察者静止，火车向他驶来
B. 观察者静止，火车离他驶去
C. 火车静止，观察者乘汽车向着火车运动
多普勒效应是波的特有现象
牛刀小试：多普勒效应课后习题
1、为了理解多普勒效应，可以设想一个抛球的游戏（如图）。 设想甲每隔1s向乙抛一个球，如果甲、乙都站着不动，乙每隔 1s接到一个球。如果甲抛球时仍然站着不动，而乙以一定速度 向甲运动，这时乙接球的时间间隔是否还是1s？如果乙靠向甲 的速度增大，乙接球的时间间隔是否会有变化？
波靠源近与观察观者察者相互静止靠近
波远源离与观察观者察者相互静止远离
频率的关系
=
>
<
f源
>
<
新知教学：多普勒效应的成因 波源与观察者相互靠近 f收>f源 音调升高 波源与观察者相互远离 f收<f源 音调降低
声源的频率没有变化，而是观察者接收到的频率发生了变化。
思考与讨论
固定在振动片上的金属丝周期性触动水面可以形成水波。当振 动片在水面上移动时拍得一幅照片，显示出此时波的图样。由 照片是否可知，振动片正在向哪个方向移动？单位时间内是水 波槽左边接收完全波个数多还是右边接收完全波个数多？
多普勒测声速
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。
《多普勒效应》课件
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛应用。
详细描述
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛的应用。在声学领域，多普勒效应用于测量声音的方向和速 度；在雷达领域，多普勒效应用于测量目标的距离和速度；在通信领域，多普勒效应用于移动通信和卫星通信的 信号处理；在交通领域，多普勒效应用于车辆测速和道路监控等。
导航和定位领域的应用
多普勒效应在导航和定位领域也具有重要作用。未来将进一步拓展多普 勒效应在导航和定位领域的应用范围，以提高导航和定位的准确性和可 靠性。
地球科学领域的应用
多普勒效应在地球科学领域的应用前景也非常广阔。未来将进一步探索 多普勒效应在地球科学领域的应用，以推动地球科学的发展和进步。
THANKS
建立更精确的多普勒效应 模型
为了更好地解释实验现象和观测数据，未来 将建立更精确的多普勒效应模型，以提高理
论预测的准确性和可靠性。
多普勒效应的技术创新
要点一
开发高精度测量设备
随着多普勒效应在各个领域的广泛应用，对高精度测量设 备的需求越来越大。未来将致力于开发高精度、高稳定性 的测量设备，以提高多普勒效应的测量精度和可靠性。
实验验证的方法与步骤
实验验证方法：通过对比不同速度下 声波或光波的频率或波长变化，验证
多普勒效应的规律。
实验步骤
1. 确定声波或光波的初始频率或波长 。
2. 改变声源或光源的运动速度，观察 接收到的声波或光波信号的频率或波 长变化。
3. 记录不同速度下的频率或波长数据 ，并进行统计分析。
4. 根据统计分析结果，得出多普勒效 应的规律，验证多普勒效应的基本原 理。
多普勒效应的发现者
总结词
多普勒效应的发现者是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约 翰·多普勒。
详细描述
多普勒效应在声学、雷达、通信、交通等领域有广泛的应用。在声学领域，多普勒效应用于测量声音的方向和速 度；在雷达领域，多普勒效应用于测量目标的距离和速度；在通信领域，多普勒效应用于移动通信和卫星通信的 信号处理；在交通领域，多普勒效应用于车辆测速和道路监控等。
导航和定位领域的应用
多普勒效应在导航和定位领域也具有重要作用。未来将进一步拓展多普 勒效应在导航和定位领域的应用范围，以提高导航和定位的准确性和可 靠性。
地球科学领域的应用
多普勒效应在地球科学领域的应用前景也非常广阔。未来将进一步探索 多普勒效应在地球科学领域的应用，以推动地球科学的发展和进步。
THANKS
建立更精确的多普勒效应 模型
为了更好地解释实验现象和观测数据，未来 将建立更精确的多普勒效应模型，以提高理
论预测的准确性和可靠性。
多普勒效应的技术创新
要点一
开发高精度测量设备
随着多普勒效应在各个领域的广泛应用，对高精度测量设 备的需求越来越大。未来将致力于开发高精度、高稳定性 的测量设备，以提高多普勒效应的测量精度和可靠性。
实验验证的方法与步骤
实验验证方法：通过对比不同速度下 声波或光波的频率或波长变化，验证
多普勒效应的规律。
实验步骤
1. 确定声波或光波的初始频率或波长 。
2. 改变声源或光源的运动速度，观察 接收到的声波或光波信号的频率或波 长变化。
3. 记录不同速度下的频率或波长数据 ，并进行统计分析。
4. 根据统计分析结果，得出多普勒效 应的规律，验证多普勒效应的基本原 理。
多普勒效应的发现者
总结词
多普勒效应的发现者是奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约 翰·多普勒。
声速测量PPT课件
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。
超声波声速的测量.pptx
第5页/共29页
3、声速测量的发展
二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学 仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动 态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。
过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表， 测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现 了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的 准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成 电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替 逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可 以用微计算机实时运算。
在标准状态下，0°C时，声速为 vo＝331.45m／s，
显然在 t°C时，干燥空气中声速的理论值应为
vt 331.45
273.15 t 273.15
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不 同的 。
第3页/共29页
声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决 于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振 动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此，根 据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
图形垂直调节
第24页/共29页
图形垂直调节
开关
“扫描信号周期” －“X-Y”档 CH1信号 振幅调节
示波器面板
触发MODE 选择AUTO
调节 “触发电平” 使信号波形稳定
CH2信号 振幅调节
INPUT输入 调至AC/DC
第25页/共29页
INPUT输入 调至AC/DC
信号发生器
开关
信号输出
频率微调
v RT
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，
μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度
第4页/共29页
2、声速测量的目的
3、声速测量的发展
二十世纪以来，声学测量技术发展很快．目前声学 仪器有较大发展，并具有高保真度，如宽的频率范围和动 态范围，小的非线性畸变和良好的瞬态响应等。
过去，测量声波和振动的仪表都是模拟式电子仪表， 测量的速度和准确度受到一定的限制。六十年代初。出现 了数字式仪表，直接采用数字显示，提高了测量时读数的 准确度。由于计算技术和高质量、低功耗的大规模集成 电路的发展，人们已能用由微处理机控制的自动测量代替 逐点测量，使许多需要事后计算的声学测量和分析工作可 以用微计算机实时运算。
在标准状态下，0°C时，声速为 vo＝331.45m／s，
显然在 t°C时，干燥空气中声速的理论值应为
vt 331.45
273.15 t 273.15
由此我们也可以想象，在极地和赤道声音传播的速度是不 同的 。
第3页/共29页
声波在空气中的传播速度与声波的频率无关，只取决 于空气本身的性质（如同弦上横波的传播速度与弦的振 动频率无关，取决与弦线的张力与线密度），因此，根 据测定出的声速还可以推算出气体的一些参量。
图形垂直调节
第24页/共29页
图形垂直调节
开关
“扫描信号周期” －“X-Y”档 CH1信号 振幅调节
示波器面板
触发MODE 选择AUTO
调节 “触发电平” 使信号波形稳定
CH2信号 振幅调节
INPUT输入 调至AC/DC
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INPUT输入 调至AC/DC
信号发生器
开关
信号输出
频率微调
v RT
γ-绝热系数，R-摩尔气体常数，
μ-空气分子的摩尔质量，T-绝对温度
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2、声速测量的目的
物理活动PPT多普勒效应及应用
然后，微波从运动的汽车上被反射回去.
从监测器处所测得的反射波的频率为 ，即
[(c v)/(c v)]1/2
0[(c v)/(c v)]
所以，频率差为
0 2 (c v) 0 2v0 / c 如根据交通管理条例对汽车最高速率限 制为 vm ，那么拍频的最大值 m是：
m 2(vm / c) 0
应用之二：多普勒超声诊断
探头
皮肤
声靶
我们以心脏病中的二尖瓣狭窄为例，说明 其诊断原理.利用超声波的多普勒效应可以测定 血流的速度，如果发现明显的血流异常，则可 以诊断二尖瓣狭窄，确定异常血流的深度.
光也存在多普勒效应，但是涉及狭义相 对论的相对性原理和光速不变原理，较复杂. 在此我们仅作简单介绍.由相对论可得：
多普勒效应及应用
应用之一：多普勒声纳
舰艇、油轮、货船行驶在 浩瀚无垠的大海上，如何准确 的沿着既定的目标前进呢？
多普勒声纳可以提供这种 帮助.
多普勒声纳是根据多普勒 效应研制的一种利用水下声波 来测速和计程的精密仪器.
多普勒声纳原理简介
多普勒声纳一般安装在船体底部，由一 个发射器和一个接收器组成，如图中 O 点. v)]1/2 波源朝着观测者运动，有
0[(c v)/(c v)]1/2 其中 v 为波源的速度
注意：以上两公式对电磁波同样适用。
应用之三：光谱线的红移——宇宙膨胀学说的理论基础 1848年，法国物理学家斐索指出，注意谱线的
位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果.因此， 人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应.
多 普 勒 斐 索 效 应
-
应用之四：监测车辆的速度 （电磁波的多普勒效应）
公路上用于监测车辆速度的监测器，由微 波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成.
多普勒效应及其应用ppt课件
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
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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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
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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。
即:当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频 已发生改变，声波频率在声源移向观察者时变高，在声源远 离观察者时变低.
ADV显示界面
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
ADV工作界面
最初是SonTek公司为美国陆军工程兵团水道实验室设计制 造的。
该流速仪运用多普勒原理，采用遥距测量的方式，对距离 探头一定距离的采样点进行测量。如今，ADV已成为水力及海 洋实验室的标准流速测量仪器。广泛应用于研究波浪轨迹、研 究水体运动轨迹、桥桩周围水流扰动的研究、水沙试验测试、 室内水力模型实验、野外测量( 沼泽地小流速的测量、黄石国家 公园热喷泉水的测量、水处理厂沉淀池中的测量)、水产养殖业 (水流扰动对渔业的影响)、水处理厂(用ADVOcean 测量水流的 流量)、测量沼泽地中的流速、ADV研究海浪、泥沙实验室等。