[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.