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[摘 要]随着电子技术与超声学理论的发展,超声波检测技术得到了广泛的应用。本文是基于超声波多谱勒效应理论,利用单片机AT89C51控制超声波发射电路,通过超声波探头向运动物体发射超声波;超声波碰到运动物体将发生反射,产生多谱勒频移,频差的大小反映了运动物体的速度大小,通过超声波探头接收回波信号,再由接收电路将回波信号送回单片机处理,得到运动物体的速度。最后通过专用键盘、显示接口芯片8279控制LED进行显示。本论文要完成超声波多谱勒效应测速原理、超声波换能器原理、硬件电路与软件设计几个方面的内容,论文中对上述几个方面都进行了详细的论述。
[关键词]测速 多谱勒效应 超声波换能器 AT89C51
中图分类号:TE897 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)41-0003-01
根据声学多谱勒效应,当观察者运动或者波源运动,或者两者都运动时,都将会发生多谱勒频移现象。当观察者与波源相互靠近时,观察者接收到频率将会增加;当观察者与波源相互远离时,观察者接收到的频率将会减小,后续章节将会对多谱勒效应进行详细论述。本次设计中就是利用多谱勒效应法对运动物体进行速度测量,当向运动物体发射频率为的连续超声波时,运动物体反射的超声波频率为,与服从多普勒关系。如果超声发射方向和运动物体的夹角已知,就可以通过多普勒关系的,,,表达式得出物体运动速度。
在这里,我们将介质选为参考系,并假定波源和观察者的运动发生在两者的连线上。用表示波源相对于介质的运动速度,表示观察者相对于介质的运动速度,表示波在介质中的传播速度。并规定:波源和观察者相互接近时和取正值,相互远离时和取负值。值得注意的是,波速是波相对于介质的速度,它只决定于介质性质,而与波源或观察者的相对运动无关,它恒为正值。接收频率则是指接收器(观察者)在单位时间内接收到的完整波的数目。虽然对波动频率和接收频率均有成立,但它们却是在不同的参考系中。即波动频率是以介质为参考系,接收频率是以接收者为参考系,在式中,,是观察者测得的波速和波长。
显然,在波源和观察者均相对于介质为静止时,没有多普勒频移,即。因此,多谱勒效应是针对下面三种情况:
1) 波源不动,观察者以相对于介质运动()
设观察者向着波源运动,即,则波相对于观察者的速度为,在不涉及相对论效应时,有,所以单位时间内,观察者接收到的完整波形的数目,即观察者实际接收到的波的频率为:
(2.1)
上式表明,观察者向着波源运动时,接收到的频率为波源振动频率的倍;当观察者远离波源运动时,上式仍可適用,只要将式中取为负值即可,显然,这时观察者所接收到的频率会小于波源的振动频率;特别地,当时,。这就是观察者随波的传播以波速远离波源运动的情况,当然观察者就接收不到波动了。
2) 观察者不动,波源以速度相对于介质运动()
如图2.1所示,先假设波源以向着观察者运动,因为波在介质中的传播速度只决定于介质的性质,与波源的运动与否无关,所以这时波源的振动在一个周期内向前传播的距离就等于一个波长,但由于波源向着观察者运动,为正,所以在一个周期内波源也在波的传播方向上移动了的距离而达到点,结果使一个完整的波被挤压在之间,这就相当于波长减少为。因此,观察者在单位时间内接收到的完整波的数目,即观察者接收到的频率为:
(2.2)
上式表明:波源向着观察者运动时,观察者接收到的频率为波源振动频率的倍,比波源频率要高;若波源远离观察者运动,则上式依然适用,只是应有尽取负值,所以此时观察者接收到的频率将小于波源的振动频率。
由上式,当时,接收频率应趋于无穷大,但这是不可能的,当接收频率越来越高时,其波长也越来越短,当小于组成介质的分子间距时,介质对于此波列不再是连续的了,波列也就不能传播了
3) 波源和观察者同时相对于介质运动()
根据上面(1)和(2)的讨论知,观察者以相对于介质运动时,相对于观察者来说,波的速率变为;而波源以相对于介质运动时,相当于使波长变为。综合这两个结果,则波源和观察者同时运动时,观察者接收到的波的频率为:
结 论
本次课题设计,利用多谱勒效应,对物体进行速度测量,通过单片机AT89C51控制超声波的发射与接收得到频率差,获取被测物体的速度,通过查找资料,掌握了超声多谱勒测速原理,并进行相关硬件电路和程序的设计,完成了设计任务和要求。超声测速范围有限,且受超声换能器,声速变化,单片机控制精度的影响,在一些较高精度要求下,还是有些差距,需要更进一步的分析与设计。实现更高精度的测量。
参考文献
[1] 赵近芳.大学物理学[M].北京:北京邮电大学出版社,2002.
[2] 陈晓荣,蔡萍,周红全 基于单片机的频率测量的几种实用方法[J].工业仪表与自动化装置2003,1:40-45.
[关键词]测速 多谱勒效应 超声波换能器 AT89C51
中图分类号:TE897 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2014)41-0003-01
根据声学多谱勒效应,当观察者运动或者波源运动,或者两者都运动时,都将会发生多谱勒频移现象。当观察者与波源相互靠近时,观察者接收到频率将会增加;当观察者与波源相互远离时,观察者接收到的频率将会减小,后续章节将会对多谱勒效应进行详细论述。本次设计中就是利用多谱勒效应法对运动物体进行速度测量,当向运动物体发射频率为的连续超声波时,运动物体反射的超声波频率为,与服从多普勒关系。如果超声发射方向和运动物体的夹角已知,就可以通过多普勒关系的,,,表达式得出物体运动速度。
在这里,我们将介质选为参考系,并假定波源和观察者的运动发生在两者的连线上。用表示波源相对于介质的运动速度,表示观察者相对于介质的运动速度,表示波在介质中的传播速度。并规定:波源和观察者相互接近时和取正值,相互远离时和取负值。值得注意的是,波速是波相对于介质的速度,它只决定于介质性质,而与波源或观察者的相对运动无关,它恒为正值。接收频率则是指接收器(观察者)在单位时间内接收到的完整波的数目。虽然对波动频率和接收频率均有成立,但它们却是在不同的参考系中。即波动频率是以介质为参考系,接收频率是以接收者为参考系,在式中,,是观察者测得的波速和波长。
显然,在波源和观察者均相对于介质为静止时,没有多普勒频移,即。因此,多谱勒效应是针对下面三种情况:
1) 波源不动,观察者以相对于介质运动()
设观察者向着波源运动,即,则波相对于观察者的速度为,在不涉及相对论效应时,有,所以单位时间内,观察者接收到的完整波形的数目,即观察者实际接收到的波的频率为:
(2.1)
上式表明,观察者向着波源运动时,接收到的频率为波源振动频率的倍;当观察者远离波源运动时,上式仍可適用,只要将式中取为负值即可,显然,这时观察者所接收到的频率会小于波源的振动频率;特别地,当时,。这就是观察者随波的传播以波速远离波源运动的情况,当然观察者就接收不到波动了。
2) 观察者不动,波源以速度相对于介质运动()
如图2.1所示,先假设波源以向着观察者运动,因为波在介质中的传播速度只决定于介质的性质,与波源的运动与否无关,所以这时波源的振动在一个周期内向前传播的距离就等于一个波长,但由于波源向着观察者运动,为正,所以在一个周期内波源也在波的传播方向上移动了的距离而达到点,结果使一个完整的波被挤压在之间,这就相当于波长减少为。因此,观察者在单位时间内接收到的完整波的数目,即观察者接收到的频率为:
(2.2)
上式表明:波源向着观察者运动时,观察者接收到的频率为波源振动频率的倍,比波源频率要高;若波源远离观察者运动,则上式依然适用,只是应有尽取负值,所以此时观察者接收到的频率将小于波源的振动频率。
由上式,当时,接收频率应趋于无穷大,但这是不可能的,当接收频率越来越高时,其波长也越来越短,当小于组成介质的分子间距时,介质对于此波列不再是连续的了,波列也就不能传播了
3) 波源和观察者同时相对于介质运动()
根据上面(1)和(2)的讨论知,观察者以相对于介质运动时,相对于观察者来说,波的速率变为;而波源以相对于介质运动时,相当于使波长变为。综合这两个结果,则波源和观察者同时运动时,观察者接收到的波的频率为:
结 论
本次课题设计,利用多谱勒效应,对物体进行速度测量,通过单片机AT89C51控制超声波的发射与接收得到频率差,获取被测物体的速度,通过查找资料,掌握了超声多谱勒测速原理,并进行相关硬件电路和程序的设计,完成了设计任务和要求。超声测速范围有限,且受超声换能器,声速变化,单片机控制精度的影响,在一些较高精度要求下,还是有些差距,需要更进一步的分析与设计。实现更高精度的测量。
参考文献
[1] 赵近芳.大学物理学[M].北京:北京邮电大学出版社,2002.
[2] 陈晓荣,蔡萍,周红全 基于单片机的频率测量的几种实用方法[J].工业仪表与自动化装置2003,1:40-45.