测量超声波在空气中的传播速度
测量超声波在空气中的传播速度
【实验目的】
1. 学会使用共振干涉法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。
2. 学会用逐差法进行数据处理。
3. 了解声速与气体参数的关系。
【实验原理】
由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射与接收一般是通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。
声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系：
测出声波波长λ和声源的振动频率f就可以由式（1）求出声波的传播速度。声波频率f可通过频率计测得，本实验的主要任务是测出声波波长λ。
1.共振干涉法
实验装置如图
图1 共振干涉实验装置
图2
图中s1和s2为压电晶体换能器，s1作为声波源，它被振荡频率可以调节的低频信号发生器输出的电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向周围空气定向发出一近似平面声波；s2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当s1和s2的表面互相平行时，声波就在两个平面间反射，相互干涉。
经数学运算可知，在接收器s2表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹；在发射器s1表面，则情况较为复杂，其振幅与两个表面的间距有关，所以其振幅随s1和s2表面的间距L 而变，当
?+=2
λn
L ,n=0,1,2,3,....,λ≤?,
振幅为极大值，称为共振。这是接收器s2接收到的声压也是极大值，经接收器转换成的电信号也是极大值（参见图2）。
图中各极大值之间的距离均为λ/2,由于衍射和其他消耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减少。我们只要测出与各极大值对应的接收器s2的位置，就可以测出波长λ。
若用游标卡尺测出20个极大值的位置，并依次算出每经10个λ/2的距离：
2
10
111111λ
=-=?-L L L ,
210
212212λ
=-=?-L L L ,
............................................
210
10201020λ
=-=?-L L L
把等式两边各自相加，得
∑?=-+=10
1
)10(2
100i i
i L
λ
??
?
??=∑?=-+101)10(501i i i L λ
由低频信号发生器或频率计读得超声波的频率f 后，即可由下式求得声速
f i i i L ???
?
??=∑?=-+101)10(501ν （2）
若测不到20个极大值，则可少测几个。列如测到12个极大值，可依次算出他们经6个
2
λ
的距离，最后得 f i i i L ???
?
??=∑?=-+61)6(181ν （3）
2. 相位法测声速
相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。
图3
由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2
λ
，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2
λ
=
?d ( 4.2.4)
计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。
实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化
d ?。
示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图
L
形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。
与共振干涉法相类似，可测得20个或12个相应的数值，以便进行数据处理。 3.逐差法处理数据
以上处理数据的方法称为逐差法，是试验中处理数据的一种基本方法。
逐差法的优点是充分利用数据，减少偶然误差。因为若简单地取各次测量的平均值，中间各值将全部抵消，只剩始末两个读数，因而与单词测量等价。如在本实验中按以下方法处理数据：
20101λ
=-=?-L L L ，
21212λ
=
-=?-L L L ，
....................................
219201920λ
=
-=?-L L L
其平均值为
()L L L L ???---+++=
?19201201 (201)
=()2
201
020λ=-L L 得到结果就只与
L 20
,L 0
两个读数有关。这样就失去了多次测量的优点。
012=-?? 2
12π
??=
-
π??=-12
2
312π
??=
- 图4
从误差理论可知，多次测量时算术平均值为最近真值。为避免以上情况，一般在连续测量数据的情形时，长把数据分为两组，两组逐次求差再算平均值。这样得到的结果保持了多次测量的优点，但应注意，只有在连续测量的自变量为等距变化，相应两个量之差是均匀的情况下，才可用逐差法处理数据。 【实验内容与步骤】
1. 共振干涉法测声速
1. 将信号发生器输出的正弦波信号加在声速测试仪的发射端，声速测试仪的接收端与示波器相连（y 1通道）。如图5所示。
图5
2. 转动距离调节手把，使声速测试仪的发射端和接收端的两个端面相距为1cm 左右，并使两个端面保持平行。调节信号发生器的频率（换能器的谐振频率为40KHz 左右），观察示波器上波形幅度的变化，当接收到的信号幅度最大时，记录5次信号发生器的频率f （f 为共振频率）并取平均值f ’，并在实验中保持f ’不变。
3. 缓慢转动距离调节手把，使声速测试仪的接收端远离发射端，观察示波器上图形的变化。当示波器上波形幅度最大时，记录声速测试仪接收端的位置读数。转动手把连续读取20个波形幅度最大时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为λ/2 。
4. 用逐差法求波长λ，将f 和λ代入( 1 )式求出声波的速度。同时用下列校正公式算出
ν
校
：
t t t p 00t 125.3313192.01125.331p +≈???
? ??+???
?
??+
=ων干校
式中，
t
=273.15℃；
p ω为水蒸气压，单位为
mmHg ；p 为大气压，单位为
mmHg(1mmHg=133.322pa)。最后算出百分误差=
%
100
?
?ν
校。
2. 相位法测声速
1. 在驻波法测声速的连线基础上，将信号发生器输出端再引出一根线接入示波器的 Y 端口（y2通道），将示波器的“扫描频率”旋钮旋至“x－y”位置，即将示波器调至观察李萨如图形的状态，如图6所示。
图6
2. 缓慢转动距离调节手把，观察示波器上图形的变化。当出现图4中的直线时，记录声速测试仪接收端的位置读数。转动手把连续读取20个直线（包括一、三象限的直线和二、四象限的直线）出现时测试仪接收端的位置读数。相邻读数的差值即为λ/2。
3. 用逐差法求波长λ，由（1）式计算声速。
【数据与结果】
室温t=15℃。
1.测谐振频率
计算得：=
f37.611 kHz
2.共振干涉法测声速
由逐差法：10
10
1
510
i i
i l
l λ+=-=
?∑
λ=9.240 mm ， ν==?f λ347.529 m/s ，
=ν
校
340.223 m/s ，
百分误差= %
100??ν
校
=2.15% 。
3.相位法测声速
由逐差法得：
10
10
1
9.2161010
i i
i l
l mm
λ+=-=
=?∑，=?=f λν346.606 m/s ，
=ν
校
340.223 m/s ,
百分误差=
%
100
?
?ν
校=1.88%
【思考题】
1.怎样才能知道接收器s2表面的声压为极大值？用什么仪器进行测量？怎么进行测量？
解答：当示波器上显示的CH2通道波形的幅度最大时，S2表面的声压为极大值。
用示波器进行测量。
调节s1与s2距离，观察示波器，当CH2的输出波幅度显示为最大时即为s2表面声压极大值时刻。
2.什么是逐差法？它的优点是什么？
解答：逐差法是针对自变量等量变化，因变量也做等量变化时，所测得有序数据等间
隔相减后取其逐差平均值得到的结果。
优点是充分利用了测量数据，具有对数据取平均的效果，可及时发现差错或数据的分布规律，及时纠正或及时总结数据规律。
3.为什么换能器要在谐振频率条件下进行声速测定？
解答：此时振幅大，便于观察,否则振动随距离衰减得很快，不能读出足够的数据。
因为在谐振频率下可形成驻波，根据驻波的情况可测量声波的波长，再用波长乘以谐振频率
就可以获得声速的大小。
4.为什么在实验过程中改变L时，压电晶体换能器S1和S2的表面应保持互相平行？
不平行会产生什么问题？
解答：声波的正面反射压力与斜着的反射压力是不一样的，要求二者平行是为了保证声波的正面反射，以求得最大反射压力，使实验数据更精确。
如果二者不平行，则反射回来的声波不能正确打在S1的正中心，会有一部分声波能量没有打在S1上，也就不能正确测得反射回的能量。会使实验不准确。
5.是否可以用此方法测定超声波在其他媒质（如液体和固体）中的声速？
解答：可以。
超声波传播速度的测量
超声波在固体中传播速度的测量 在固体中传播的声波是很复杂的，它包括纵波、横波、扭转波、弯曲波、表面波等，而且各种声速都与固体棒的形状有关，金属棒一般为各向异性结晶体，沿任何方向可有三种波传播。 【实验目的】 1、学会用时差法测定超声波在固体中的传输速度。 2、学会用逐差法处理实验数据。 3、熟悉数字示波器等仪器的使用。 【实验原理】 时差法测量原理： 在实际工程中，时差法测量声速得到广泛的应用。时差法测试声速的基本原理是基于速度V=距离S/时间T，通过在已知的距离内计测声波传播的时间；从而计算出声波的传播速度，在一定的距离之间由控制电路定时发出一个声脉冲波，经过一段距离的传播后到达接收换能器。接收到的信号经放大，滤波后由高精度计时电路求出声波从发出到接收这个在介质传播中经过的时间，从而计算出在某一介质中的传播速度。只因为不用目测的方法，而由仪器本身来计测，所以其测量精度相对于前面两种方法要高。同样在液体中传播时，由于只检测首先到达的声波的时间，而与其它回波无关，这样回波的影响比较小，因此测量的结果较为准确，所以工程中往往采用时差法来测量。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出：速度V=距离L/时间t。通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t ,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。 图5-5 发射波与接收波 【仪器与器材】 SVX-7声速测试仪信号源、SV-DH-7A型测试架、数字示波器、材料样品（有机玻璃棒、铝棒等）
【实验内容与步骤】 1、时差法测量超声波在固体中传播速度步骤 图5-6 时差法测量超声波在固体中传播速度接线图 （1）按图5-6接线，将测试方法设置到脉冲波方式将，接收增益调到适当位置（一般为最大位置），以计时器不跳字为好。 （2）将发射换能器发射端面朝上竖立放置于托盘上，在换能器端面和固体棒的端面上涂上适量的耦合剂，再把固体棒放在发射面上，使其紧密接触并对准，然后将接收换能器接收端面放置于固体棒的上端面上并对准，利用接收换能器的自重与固体棒端面接触。 （3）这时计时器的读数为t i-1，固体棒的长度为L i-1 。移开接收换能器， 将另1根固体棒端面上涂上适量的耦合剂，置于下面一根固体棒之上，并保持 良好接触，再放上接收换能器，这时计时器的读数为t i ，固体棒的长度为L i 。 则声速C i =（L i -L i-1 ）/（t i -t i-1 ）。分别测量超声波在有机玻璃棒、铝棒中的 传播速度，填入表5-3中。 （4）测量超声波在不同固体介质中传播的平均速度时，只要将不同的介质同时置于两换能器之间就可进行测量。 因为固体中声速较高、固体棒的长度有限等原因，测量所得结果仅作参考。 2. 液体介质声速的测量 当使用液体为介质测试声速时，按图6所示进行接线。将测试架向上小心提起，就可对测试槽中注入液体，以把换能器完全浸没为准，注意液面不要过高，以免溢出。选择合适的脉冲波强度，即可进行测试，步骤与4相同。 使用时应避免液体接触到其他金属件，以免金属物件被腐蚀。使用完毕后，用干燥清洁的抹布将测试架及换能器清洁干净。 【注意事项】 1、使用时，应避免声速测试仪信号源的功率输出端短路。 2、严禁将液体（水）滴到数显尺杆和数显表头内，如果不慎将液体（水）滴 到数显尺杆和数显表头上，请用60℃以下的温度将其烘干，即可使用。3、数显尺用后应关闭电源。 【数据处理】 1、列表记录用时差法测量有机棒及金属棒的实验数据。 （1）三根相同长度和材质的待测棒，利用叠加获得不同的长度。 （2）每个长度所测得相对应的时间。
超声波在车辆测速中的应用
超声波在车辆测速中的应用 随着交通系统的发展，越来越多的传感器被应用在交通系统中。其中超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波是频率高于2O kHz 的声波，其波长短，方向性好．穿透能力强。它在医学、军事、工业、农业上有很多的应用，可用于测距，测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播，遇到障碍物会反射回来，由发射与接收的时间差，可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比，超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测。在交通系统中，利用超声波传感器测距测速有很重要的意义，不仅能采集到交通数据进行状态评估，而且还能有效地避免交通事故的发生。在智能交通系统中，超声波传感器被安装在路边来测量通过车辆的速度，判断是否超速。在无人驾驶智能车上安装超声波传感器，可以自动检测前车的距离，防止追尾事故；同时还可以检测前车的速度，做出是否超车的判断。 测量原理 超声波测距模块到障碍物的距离 S=（△T×V0）/2 (1) 式中：△T为超声波由发射到接受的用时：V0为超声波在空气中的传播速度，且 与温度的关系为V0=331.5+0.6T (2) 式中T为环境摄氏温度。根据式（2）进行声速修正可提高测量精度。当超声波传感器静止，被测物体以相对声速低速运动时，假设t1时刻测得被测物体与传感器距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则超声波传感器与被测物体之间的相对速度 V=（s2-s1）/(t2-t1) (3) 当传感器装在车上进行运动测速时，如图1.1所示，假设车A运动速度为V1, 假设t1时刻测得前车B与车A距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则两车相对速度为 △ V=（s2-s1）/(t2-t1)（4） 可以得到车B的速度为V2=V1+△V。 设计实现 硬件设计 主芯片为飞思卡尔xls128,控制舵机的转动，33886驱动电路，驱动电机转动，同时光电传感器检测道路信息，将采集到的路面信息传回单片机，控制智能车的行驶方向。超声波传感器模块由一个发射器和接收器构成，单片机控制发射器发出频率为40kHz的脉冲，并开始计时，遇到最近障碍物反射回接收器，计时结束，通过发射接受的时间间隔计算出距离。
光的传播颜色
光的传播颜色 ●教学目标 一、知识目标 1.了解光源，知道光源大致分为自然光源和人造光源两类. 2.理解光沿直线传播及其应用. 3.了解光在真空和空气中的传播速度c=3×108 m/s. 4.了解色散现象.知道色光的三原色和颜料三原色是不同的. 二、能力目标 1.观察光在空气中和水中传播的实验现象，了解实验是研究物理问题的重要方法. 2.阅读“科学世界我们看到了古老的光”的内容，了解光可以反映宇宙的信息，感悟宇宙之宏大. 3.探究色光的混合与颜色的混合，获得有关的知识，体验探究的过程与方法. 三、德育目标 1.观察、实验以及探究的学习活动，培养学生尊重客观事实、实事求是的科学态度. 2.通过亲身的体验和感悟，使学生获得感性认识，为后继学习打基础. 3.通过探究性物理学习活动，使学生获得成功的愉悦，乐于参与物理学习活动. ●教学重点 光的直线传播. ●教学难点 用光的直线传播来解释简单的光现象. ●教学方法 探究法、实验法、观察法. ●教学用具 演示用：激光演示器、盛有水的水槽、手电筒、白炽台灯、棱镜、带狭缝的屏、白屏 学生用：两块带有小孔的硬纸板、彩色蜡笔、陀螺、水彩、毛笔、水、白纸. ●课时安排 1.5课时 ●教学过程 一、创设问题情境，引入新课 ［师］在生活中有很多奇妙的现象：如打雷时，雷声和闪电在同时同地发生，但为什么我们总是先看到闪电后听到雷声？人的影子为什么早晚长中午短呢？在开凿大山隧道时，工程师们用什么办法才能使掘进机沿直线前进呢？神话中传说王母娘娘拆散了牛郎和织女的幸福家庭，他们化作天上的两颗星，只能在每年农历七月初七渡过银河相会一次，他们能否每年相会一次呢？大家想知道上述问题的答案吗？ 学生异口同声地回答：想. 教师紧接着进入新课教学. 二、新课教学 （一）光源
实验42 测量超声波在空气中的传播速度
测量超声波在空气中的传播速度 【实验简介】 声波是一种在弹性介质中传播的机械波，它能在气体、液体和固体中传播，但在各种介质中的传播速度是不同的。声波的振动频率在20Hz～20KHz时，可以被人听见；频率低于20Hz的声波称为次声波；频率高于20KHz的声波称为超声波。对于声波特性（如频率、波长、波速、相位等）的测量是声学技术的重要内容。声速的测量在声波定位、探伤、测距中有广泛的应有。本实验分别采用驻波法和相位法测量超声波在空气中的传播速度。 【实验目的】 1. 学会使用驻波法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 深刻理解驻波的特性，以及相位的物理含义。 3. 了解产生和接收超声波的原理。 【预习思考题】 1. 什么是驻波以及驻波的特点是什么？ 2. 什么是共振？如何判断测量系统是否处于共振状态？ 3. 如何确定最佳工作频率？ 4.相位法中比较的相位是哪两个相位？ 【实验仪器】 示波器，声速测试仪，信号发生器。 【实验原理】 1. 声速的测量 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： 测出声波波长和声源的振动频率就可以由式（4.2.1）求出声波的传播速度。声波波长的测量通常用驻波法和相位法来测量。 1.1 驻波法测声速 驻波法就是利用入射波和反射波在一定条件下干涉形成驻波进行测量的。 由波动理论可知：声源产生的声波信号经媒质垂直入射到某一刚性反射面上，就会被反射回来，形成反射波，在声源和反射界面之间，入射波和反射波发生干涉形成驻波。改变声
源和刚性反射面之间的距离l ，驻波场中各质点振动的振幅也在发生变化，当声源到刚性反射面之间的距离满足 2λ n l = （4.2.2） 时，各质点振动的振幅最大，这时在声源和刚性反射面之间各质点处于驻波共振状态。保持声源位置不变，沿波的传播方向上，改变刚性反射面的位置x ，在满足式（4.2.2）的位置上可以观察到驻波共振状态。由式（4.2.2）可知：相邻两次出现驻波共振状态对应的刚性反射面移动的距离x ?为2 λ，即 2λ =?x ( 4.2.3) 只要测出相邻两次出现驻波共振状态对应刚性反射面之间的距离x ?，就可以求出声波的波长，从而由式( 4.2.1 )计算出声速。这种测量声速的方法又称为驻波共振法。 实验中，通过用示波器观测反射端处的振动状态来判断质点是否处于驻波共振状态。 1.2 相位法测声速 相位法又称为行波法，是通过比较同一列波上两质点的相位差来进行测量的。 由声源发出的声波在沿其传播方向上，相位差为π的两质点之间的距离为半个波长2λ，因此，只要测出相位差为π的两质点之间的距离d ?，就可由 2λ =?d ( 4.2.4) 计算出波长，从而由波长及声源振动频率计算出声速。 实验中保持声源的位置不变，改变反射面的位置，用示波器测声源和反射面处两质点的相位差，记下相位差每变化π时反射面的位置d ，求出相位差变化π时反射面位置的变化d ?。 示波器测两信号的相位差有两种方法：双踪示波法和李萨如图形法，本实验用李萨如图形测两点的相位差。将声源和反射面处的信号分别输入至示波器的两个偏转板上，在示波器上观察到的李萨如图形是一椭圆，当改变反射面的位置时，两信号的相位差发生变化，李萨如图形由椭圆→直线→椭圆→直线发生周期性变化，如图4.2.1所示，其中相邻两次出现直线时反射面位置的变化就是相位差为π时两质点的距离d ?。
光在大气中的传播及应用
光在大气中传播及应用 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空气折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏；当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性。 1.大气衰减 激光辐射在大气中传播时，部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量（如热能等）部分能量被散射而偏离原来的传播方向（即辐射能量空间重新分配）。吸收和散射的总效果使传输光辐射强度的衰减。 （1）大气分子吸收 大气分子在光波电场的作用下产生极化，并以入射光的频率作受迫振动。所以为了克服大气分子内部阻力要消耗能量，表现为大气分子的吸收。 分子的固有吸收频率由分子内部的运动形态决定。极性分子的内部运动一般有分子内电子运动、组成分子的原子振动以及分子绕其质量中心的转动组成。相应的共振吸收频率分别与光波的紫外和可见光、近红外和中红外以及远红外区相对应。因此，分子的吸收特性强烈的依赖于光波的频率。 大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。 大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。 H2O和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素，它们的一些主要吸收谱线的中心波长如表2-1所示。 表1中对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为“大气窗口”。在这些窗口之内，大气分子呈现弱吸收。目前常用的激光波长都处于这些窗口之内。
测量物体速度的几种方法
1 测量物体速度的几种方法 测量物体速度的方法很多，不仅可以利用电磁打点计时器和电流表，还可以利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲、光电脉冲或激光扫描信号），还可以利用共振、干涉原理、多普勒效应等九种方法进行测量，现介绍如下. 一、 利用电磁打点计时器或电流表测量物体速度 利用电磁打点计时器测量物体速度是中学物理中最常见的，本文不再介绍；但利用电流表测量物体速度很多同学还比较陌生，现举例说明. 例1 如图1所示，变阻器滑动触头P 与某一运动的物体相连，当P 匀速滑动时，电流表就有一定的示数，从电流表的读数可得运动物体的速度.已知电源电动势E=6V ，内阻r=10Ω,AB 为粗细均匀的电阻丝，阻值R=50Ω，长度L=50cm,电容器的电容C=100F μ.某次测量电流表的读数为I=0.10mA ，方向由M 流向N ，求运动物体的速度v . [解析]由分压原理得AB 两端电压AB U = R E R r +，① AB 单位长度上的电压为AB U U L ?=，② 设t ?（极短）时间内，电容器两极板间电压的变化量和 极板上电荷的变化量分别为Uc ?和Q ?，则 Uc U v t ?=????，③ 图1 Q ?=Uc ?·C ，④ 电容器上充（放）电的电流为Q I t ?= ?.⑤ 解①-⑤得()R r L v I REC +=.⑥ 将已知数据代入⑥得v =0.1m/s.根据题目“电流表中的电流方向由M 流向N ”可知，该过程为电容器充电过程，则物体由B 向A 运动. 从⑥可以看出()R r L v I REC +=∝I ，可见电流表的读数与物体的速度成正比.当电流表用做测速时，它的刻度是均匀的. 二、 利用多种脉冲信号（如：超声波脉冲、电磁脉冲或光电脉冲信号）测量物体速度 1、利用超声波脉冲信号测量物体速度（例如：超声波测速仪、水声测位仪（声纳）） 例2(2001·上海) 如图2所示，图A 是高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号.根据发出和接收的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B 中P 1、P 2是测速仪发出的超声波信号，n 1、n 2分别是P 1、P 2由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，P 1、P 2之间的时间间隔Δt 0=1.0s,超声波在空气中传播速度是v 0=340m/s,若汽车是匀速行驶的，则根据图B 可知，汽车在接收到P 1、P 2两个信号之间的时间内前进的距离是__m,汽车的速度是__m/s.
超声波测距实验报告
电子信息系统综合设计报告 超声波测距仪
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (3) 1.1 设计要求 (3) 1.2 理论基础 (3) 1.3 系统概述 (4) 第二章方案论证 (4) 2.1 系统控制模块 (5) 2.2距离测量模块 (5) 2.3 温度测量模块 (5) 2.4 实时显示模块 (5) 2.5 蜂鸣报警模块 (6) 第三章硬件电路设计 (6) 3.1 超声波收发电路 (6) 3.2 温度测量电路 (7) 3.3 显示电路 (8) 3.4 蜂鸣器报警电路 (9) 第四章软件设计 (10) 第五章调试过程中遇到的问题及解决 (11) 5.1 画PCB及制作 (11) 5.2 焊接问题及解决 (11) 5.3 软件调试 (11) 实验总结 (13) 附件 (14) 元器件清单 (14) HC-SR04超声波测距模块说明书 (15) 电路原理图 (17) PCB图 (17) 程序 (18)
摘要 该系统是一个以单片机技术为核心,实现实时测量并显示距离的超声波测距系统。系统主要由超声波收发模块、温度补偿电路、LED显示电路、CPU处理电路、蜂鸣器报警电路等5部分组成。系统测量距离的原理是先通过单片机发出40KHz 方波串，然后检测超声波接收端是否接收到遇到障碍物反射的回波，同时测温装置检测环境温度。单片机利用收到回波所用的时间和温度补偿得到的声速计算出距离，显示当前距离与温度，按照不同阈值进行蜂鸣报警。由于超声波检测具有迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制的特点，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在生产生活中得到广泛的应用，例如超声波探伤、液位测量、汽车倒车雷达等。 关键词：超声波测距温度测量单片机 LED数码管显示蜂鸣报警 第一章绪论 1.1设计要求 设计一个超声波测距仪，实现以下功能： (1)测量距离要求不低于2米； (2)测量精度±1cm； （3）超限蜂鸣器或语音报警。 1.2理论基础 一、超声波传感器基础知识 超声波传感器是利用晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的特性，实现对各种参量的测量。 超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关，与环境条件也有关： 在气体中，超声波的传播速度与气体种类、压力及温度有关，在空气中传播速度为C=331.5+0.607t/0C (m/s) 式中，t为环境温度，单位为0C. 二、压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 三、超声波测距原理 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在空气中传播的距离较远，因而超声波
超声波测车速练习(供参考)
超声波测车速 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设 测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超 声波在空气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿 直线匀速行驶． （1）图b中每小格表示的时间是s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s？ 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时0.4s，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时0.3s，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少？（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少？（3）被测汽车的速度是多大？ 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超声波在空气中传播的速度为340米/秒，则被测车的车速为（） A．20米/秒B．25米/秒C．30米/秒D．40米/秒 4．（2013?绍兴）交通部门常用测速仪检测车速。测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被测车反射回的超声波信号，再根据两次信号的时间差，测出车速，如图甲。某次测速中，测速仪发出与接收超声波的情况如图乙所示，x表示超声波与测速仪之间的距离。则该被测汽车速度是（假设超声波的速度为340米/秒，且保持不变）（）D A．28.33米/秒B．13.60米/秒C．14.78米/秒D．14.17米/秒 5．测量员是这样利用回声测距离的：他站在峭壁之前某一位置鸣枪，经过1.00s听到回声，已知声速为340m/s，则测量员能测出他与峭壁间的距离为170m．与此类似，如图所示是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪指向车辆发出超声波脉冲信号，并接收经车辆反射的超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度．在某次测速过程中，超声波测速仪对某一汽车共发射两次信号，接收两次信号，
超声波传感器测距原理
一、超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v·△t /2 ① 这就是所谓的时间差测距法。 由于超声波也是一种声波, 其声速C与温度有关,表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时,如果温度变化不大, 则可认为声速是基本不变的。常温下超声波的传播速度是334 米/秒,但其传播速度V 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中受温度的影响较大，如温度每升高1 ℃, 声速增加约0. 6 米/ 秒。如果测距精度要求很高, 则应通过温度补偿的方法加以校正（本系统正是采用了温度补偿的方法）。已知现场环境温度T 时, 超声波传播速度V 的计算公式为： V = 331.45 + 0.607T ② 声速确定后, 只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。这就是超声波 测距仪的机理。
二、系统硬件电路设计 图2 超声波测距仪系统框图 基于单片机的超声波测距仪框图如图2所示。该系统由单片机定时器产生40KHZ 的频率信号、超声波传感器、接收处理电路和显示电路等构成。单片机是整个系统的核心部件，它协调和控制各部分电路的工作。工作过程：开机，单片机复位，然后控制程序使单片机输出载波为40kHz 的10个脉冲信号加到超声波传感器上，使超声波发射器发射超声波。当第一个超声波脉冲群发射结束后，单片机片内计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，这样就得到了从发射到接收的时间差△t;根据公式①、②计算出被测距离,由显示装置显示出来。下面分别介绍各部分电路： 1 、超声波发射电路 超声波发射电路如图3所示，89C51通过外部引脚P1.0 输出脉冲宽度为250μs , 40kHz 的10个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。由于超声波的传播距离与它的振幅成正比,为了使测距范围足够远,可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 图3中T 为超声波传感器，是超声波测距系统中的重要器件。利用逆压电效应将加在其上的电信号转换为超声机械波向外辐射; 利用压电效应可以将作用
超声波特性
2．1 超声波的定义 波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。声波是一种弹性机械波。人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz~20KHz ，超声波是频率大于20KHz 的机械波。 在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。 2．2超声波的物理特性 当声波从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质，称为反射波；另一部分能量透射过分界面，在另一个介质内部继续传播，称为折射波，如图2．1所示，图中L 为入射波，S ?为反射横波，L ?为反射纵波，L ?为折射纵波，S ?为折射横波。 L 图2．1超声波的反射、折射及其波形转换 这些物理现象均遵守反射定律、折射定律。除了有纵波的反射波折射波以外，还有横波的反射和折射。 因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，超声波的波动方程描述方法与电磁波是类似的。描述简谐声波向X 正方向传播的质点位移运动可表示为： ()cos()A A x t kx ω=+ （2.1） 0()ax A x A e -= （2.2） 式中，()A x 为振幅即质点的位移，0A 为常数，ω为角频率，t 为时间，x 为传播距离，2/k πλ=为波数，λ为波长，α为衰减系数。衰减系数与声波所在介质和频率关系： 2af α= （2.3）
式(2．3)中，a 为介质常数，f 为振动频率。 2．2．1超声波的衰减 从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面： (1) 由声速扩展引起的衰减 在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。 (2) 由散射引起的衰减 由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声特性阻抗不均，从而引起声的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。 (3) 由介质的吸收引起的衰减 超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子驰豫造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。 扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即p(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： 22222238211()3v P f f K C C C C πηπβρρ=++ (2.4) 式中：K ：热传导系数 f ：超声波频率 η：动力粘滞系数 C ：超声波传播速度 v C ：定容比热 p C ：定压比热 ρ：传播介质密度 式(2．4)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： 223 83f C πηβρ= （2.5） 把C = 2.5）可得： 3223 322283()M f R T β πηργ=?? (2.6) 由式(2．6)可知：温度一定时，η、 ρ、T 均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。在实际应用
超声波测速
12 =12×s=0.4s= =9×s=0.3s=vt -t+t v==17.9m/s. 超声波测速 超声波测速 适合作流动物质中含有较多杂质的流体的流速测量，超声多普勒法只是其中一种，还有频差法和时差法等等。 时差法测量沿流体流动的正反两个不同方向发射的超声播到达接收端的时差。需要突出解决的难题是这种情况下，由于声速参加运算（作为分母，公式不好写，我积分不够没法贴图），而声速收温度的影响变化较大，所以不适合用在工业环境下等温度变化范围大的地方。 频差法是时差法的改进，可以把分母上的声速转换到分子上，然后在求差过程中约掉，这就可以避开声速随温度变化的影响，但测频由于存在正负1误差，对于精度高的地方，需要高速计数器。 还有就是回鸣法了，可以有效改进由于计数器正负1误差带来的测量误差。 以上这些东东都是关于流体的流速的超声测量方法。对于移动物体的速度测量多采用超声多谱勒法。 根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为F的连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f，f 与F服从多普勒关系。如果超声发射方向和移动物体的夹角已知，就可以通过多普勒关系的v,f,F,c表达式得出物体移动速度v。 设超声波速度为V两次发出超声波的时间间隔为T第一次用时为T1第二次为T2则车速为V1=V×（T2-T1）/T（以上数据均可测出） 超声波测速仪测量车速，图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1，n2... 如图所示，图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差测出被测物体的速度。图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，N1、N2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，
超声波测距电路
超声波测距电路 摘要：随着单片机、DSP、FPGA、CPLD技术的不断成熟，各种智能测量系统不断涌现，测距电路可以用在工业生产、医疗技术、日常生活中各个方面，典型的应用如汽车倒车告警、机器人的自动避障行走、工业上的液位、井深、管道长度等场合，本文在介绍超声波测距原理的基础上总结并讨论现有的几种电路设计方法，并提出增大测量距离及改善系统性能的实现方法。 关键词：超声波；测距；FPGA实现 1超声波是一种在弹性介质中的机械振荡,它是由与介质相接触的振荡源所引起的,其频率在20KHz以上。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。超声波在介质中传播时在不同介面上具有反射的特性,由于它有指向性强、方向性好、传播能量大、传播距离较远等特点,常用于测量物体的距离、厚度、液位等。超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关,它在空气中的传播速度为340m/s。发射一定频率的超声波,借助空气媒质传播,到达测量目标或障碍物后反射回来,其所经历的时间长短与超声波传播的路程的远近有关,测试传输时间可以得出距长。利用超声波特性、单片机控制、电子计数相结合可以实现非接触式测距。由于超声波检测迅速、方便、计算简单,且不受光线、电磁波、粉尘等的干扰,其测量精度较高。常用于桥梁、涵洞、隧道的距离检测中。 2使用超声波和使用激光测距的比较：基于以上介绍的超声波的特点不难区分它们的各自的适用场合，激光测距主要用于远程，如测月球到地球距离，或远距离无障碍测距，而且成本要比用超声波大，因为光速为3×10^8M/S，而一般市场上的单片机最高频率在十几至几十兆，（本人接触的ARM最大30M）如果测量的距离在十米左右，那么假设单片机别的都不做只是计数，出射光将在大约0.033us后返回，要求单片机CLK为1/0.033MHz，也就是说30M时钟频率的单片机刚发出出射激光的命令，光就已经在它的下个CLK脉冲来到了，更别提计数了，即使使用频率很高的单片机或其他器件如FPGA等在精度上将不能满足需要（通常在收发间隔中得到的计数脉冲越多精度越高）。但值得注意的是,超声波在空气中传播速度会随介质温度的升高而增大,气温每上升1℃,声波速度增加0.6mPs。所以在测量中要考虑温度变化的因素,进行温度补偿修正,减少测量误差。另外超声波在传输距离稍大时衰减很大，精度也随之降低。 3超声波发生/接收器：为了研究和利用超声波,人们研究了多种超声波发生器,常用的超声波发生器可以分为二大类,一是用电气方式产生超声波,如压电式、磁致伸缩式超声波发生器;二是用机械方式产生超声波,有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。这里采用第一类的压电式超声波发生器,是利用压电晶体的电致伸缩现象,即压电效应。常用的压电材料有石英晶体、压电陶瓷等。在压电材料切片上施加一定频率的交变电压,当外加信号频率等于压电晶片的固有频率时,会产生电致伸缩振动,产生共振,并带动共振板振动,产生超声波。超声波的频率越高,方向性越好,但频率太高,衰减也大,传播的距离越短。考虑到实际工程测量要求,可以选用超声波的频率f=40kHz,波长λ=0.85cm。超声波的接收是利用超声波发生器的逆效应(逆压电效应)而进行工作的。当一定频率的超声波作用到压电晶体片上时,使晶体伸缩,在晶体的两端面产生交变电荷,把电荷转换成电压,再经放大输出,它的结构与发生器类似。发送和接收可以由一个超声换能器承担，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。超声波发生/接收器的外形和通常的驻极体话筒差不多，如果发生接收是分开的两个在安装过程中要注意它们之间的距离大概在6—8CM否则过于靠近易产生干扰。（可采用MA40LIS和MA40LIR） 4超声测距原理：最常用的超声测距方法是回声探测法。其工作原理是：使换能器向介质发射声脉冲，声波遇到被测物体(目标)后必有反射回来的声波(回波)作用于换能器上。若已知介质的声速为c，第一个回波到达的时刻与发射脉冲时刻的时间差为t，那么即可按式s=ct／2计算换能器与目标之间的距离。考虑到传感器的成本与安装的方便性，也可采用收发兼用型超声波探头，即实际距离d=s。声波的速度c与温度T有关。如果环境温度变化显著,则必须考虑温度 补偿问题。 5系统设计：
5.超声波传播速度的测量
超声波传播速度的测量 一、实验内容 1.用相位比较法测量声速； 2.用共振干涉法测量声速； 3.通过实验了解作为传感器的压电陶瓷的功能。 二、实验仪器 SVX-5型声速测试仪信号源 SV-DH系列声速测试仪 实验装置 三、预备知识介绍 1.声波 频率介于20Hz～20kHz的机械波振动在弹性介质中的传播就形成声波，介于20kHz～500MHz的称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射和会聚等优点，声速实验所采用的声波频率一般都在20KHz～60kHz之间。在此频率范围内，采用压电陶瓷换能器作为声波的发射器、接收器、效果最佳。 2.压电陶瓷换能器
压电陶瓷换能器是由压电陶瓷片和轻重两种金属组成。 压电陶瓷片是由一种多晶结构的压电材料（如石英、锆钛酸铅陶瓷等），在一定温度下经极化处理制成的。它具有压电效应，即受到与极化方向一致的应力T 时，在极化方向上产生一定的电场强度E 且具有线性关系：T g E ?=,即力→电，称为正压电效应；当与极化方向一致的外加电压U 加在压电材料上时，材料的伸缩形变S 与U 之间有简单的线性关系： U d S ?=，即电→力，称为逆压电效应。其中g 为比例系数，d 为压电常数，与材料的性质 有关。由于E 与T ，S 与U 之间有简单的线性关系，因此我们就可以将正弦交流电信号变成压电材料纵向的长度伸缩，使压电陶瓷片成为超声波的波源。即压电换能器可以把电能转 图1 纵向换能器的结构 曲振动换能器。图1所示为纵向换能器的结构简图。 四、实验原理 根据声波各参量之间的关系可知f ?=λυ ,其中 υ为波速, λ为波长,f 为频率。 图2 实验装置 正负电极片 后盖反射板压电陶瓷片辐射头
具有实时语音播报的超声波测距测速仪
具有实时语音播报的超声波测距测速仪（C题） 摘要：本文研究内容为实时语音播报的测距测速仪，利用超声波进行距离测量,测量精度在厘米级别,适用于近距离测距。本系统以STC12C5A60S为微处理芯片， 其产生40kHz频率，再利用超声波换能器TCT40-16T产生超声波信号并发射 出去，由TCT40-16R接收超声波信号，并利用超声波专用芯片CX20106A检 波、处理超声波信号，最后发送给微处理器。微处理器通过计算得到与障碍 物的距离，并通过所得距离计算出物体的移动速度。微处理器通过串口控制 JQ6500语音模块。当微处理器计算得到障碍物的距离和物体移动速度时，微 处理器发送指定的命令，驱动语音模块播放保存在FLASH中的语音,实现实 时语音播报。 关键词:STC12C5A60S2;JQ6500;超声波。
1 系统方案设计 设计任务 根据命题要求，设计并制作一台具有实时语音播报的超声波测距测速仪。 A. 具有超声波测距功能，测量距离～，测距精度±1cm； B. 自动语音实时播报测量距离数值；实时播报时间间隔t≤10s；实时语音播报清晰明亮、无明显失真，在1米距离处人耳能准确分辨。 C. 实时显示测量的距离和速度，并且显示内容要与语音播报内容同步。 总体设计方案 具有实时语音播报的超声波测距测速仪由6部分组成：超声波发射模块、超声波接收模块、51单片机最小系统、LCD1602显示模块、JQ6500语音播报模块、按键模块组成。 图1-1 超声波测距测速仪组成图 声波测速测距原理 声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间T，发射点距障碍物的距离S,如图1-2所示。
有关超声波测速的几个典型题
有关超声波测速的几个典型题 1．如图所示，在京昆高速公路266 km 处安装了一台500万像素的固定雷达测速仪，可以准确抓拍超速车辆以及测量运动车辆的加速度．若B 为测速仪，A 为汽车，两者相距355 m ，此时刻B 发出超声波，同时A 由于紧急情况而急刹 车，当B 接收到反射回来的超声波信号时，A 恰好停止，且 此时A 、B 相距335 m ，已知声速为340 m/s 。 （1）求汽车刹车过程中的加速度； （2）若该路段汽车正常行驶时速度要求在60km/h~110km/h ，则该汽车刹车前的行驶速 度是否合法？ 答案：（1）10m/s 2；（2）v 0 = 72 km/h ，合法。 解析：（1）根据题意，超声波和汽车运动过程的示意图， 如图所示。 设超声波往返的时间为2 t ，汽车在 2 t 时间内，刹车的位移为2221）（t a x = =20m 当超声波与A 车相遇后，A 车继续前进的时间为t ，位移为222 1at x = =5m 则超声波在2 t 内的路程为2×（335+5）m = 680 m ， 由声速为340 m/s ，得t = 1 s ，解得汽车的加速度a = 10 m/s 2 （2）由A 车刹车过程中的位移 a v x 220= 解得刹车前的速度 v 0 = 20 m/s = 72 km/h 车速在规定范围内，是合法的。
2．在高速公路上常使用“超声波测速仪”测定车速，从而判断汽车是否超速行驶。“超声波测速仪”其实就是一种传感器，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到信号的时间差的变化，测出被测物体速度。下图甲中仪器A 和B 通过电缆线连接，B 为超声波发射与接收一体化装置，仪器A 能够将装置B 发出和接收到的超声波以脉冲波形显示在屏幕上。现固定装置B ，并将它对准直线匀速行驶的小车C 的尾部，使其每隔固定时间T 0发射一短促超声波脉冲，下图乙中幅度较大的波形。反射波（图乙中幅度较小的波形）滞后的时间已在图中标出，其中T 0和△T 为已知量，另外还知道该测定条件下超声波在空气中的速度为v 0，求小车的速度大小。 \ 答案：T T Tv ?+?002 解析：超声波两次与汽车相遇时，汽车前进的距离为02v T x ?= ? 前进该距离所用时间为20T T t ?+ =? 所以T T Tv t x v ?+?=??= 002
测量超声波在空气中的传播速度
测量超声波在空气中的传播速度 【实验目的】 1. 学会使用共振干涉法和相位法测定超声波在空气中的传播速度。 2. 学会用逐差法进行数据处理。 3. 了解声速与气体参数的关系。 【实验原理】 由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，所以在超声波段进行声速测量是比较方便的。超声波的发射与接收一般是通过电磁振动与机械振动的相互转换来实现，最常见的是利用压电效应和磁致伸缩效应。 声波在空气中是以纵波传播的，其传播速度v和声源的振动频率f以及波长λ有如下关系： νf λ =( 1 ) 测出声波波长λ和声源的振动频率f就可以由式（1）求出声波的传播速度。声波频率f可通过频率计测得，本实验的主要任务是测出声波波长λ。 1.共振干涉法 实验装置如图 图1 共振干涉实验装置
图2 图中s1和s2为压电晶体换能器，s1作为声波源，它被振荡频率可以调节的低频信号发生器输出的电信号激励后，由于逆压电效应发生受迫振动，并向周围空气定向发出一近似平面声波；s2为超声波接收器，声波传至它的接收面上时，再被反射。当s1和s2的表面互相平行时，声波就在两个平面间反射，相互干涉。 经数学运算可知，在接收器s2表面，从振动位移来说是波节，从声压来说是波腹；在发射器s1表面，则情况较为复杂，其振幅与两个表面的间距有关，所以其振幅随s1和s2表面的间距L 而变，当 ?+=2 λn L ,n=0,1,2,3,....,λ≤?, 振幅为极大值，称为共振。这是接收器s2接收到的声压也是极大值，经接收器转换成的电信号也是极大值（参见图2）。 图中各极大值之间的距离均为λ/2,由于衍射和其他消耗，各极大值幅值随距离增大而逐渐减少。我们只要测出与各极大值对应的接收器s2的位置，就可以测出波长λ。 若用游标卡尺测出20个极大值的位置，并依次算出每经10个λ/2的距离： 2 10 111111λ =-=?-L L L , 210 212212λ =-=?-L L L , ............................................ 210 10201020λ =-=?-L L L 把等式两边各自相加，得
基于单片机超声波多普勒测速的设计
摘要 在速度测量领域，利用多普勒效应的设计不在少数。其中，多以激光多普勒测速设计或装置为主，激光以其高强度、频率单一、不易受到干扰等良好的性质受到众多多普勒测速设计者的青睐，以激光为波源做成的装置具有测速范围广(4×10~(-5)～10~4米/秒)、空间分辨率高、动态响应快等优点。但是，这种装置一般而言价格比较昂贵，在许多测量精度要求不那么严格的地方的应用受到了很大的限制。因此，我们设计了以超声波作为波源结合单片机用以数据处理的方案，再加上其他一些必要的电子电路，可以把整个装置集成到一块PCB板上，以电池供电。这样便解决了价格问题，提高了性价比，同时携带方便，测量精度亦在可以接受的范围内。 关键词：多普勒效应；超声波；单片机；混频放大；差频测量；模数转换；滤波整形 基于单片机的超声波多普勒测速设计 1前言 1.1多普勒效应 多普勒效应是指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化，在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高，在运动的波源后面，产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低，波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。 测速的公式简介。多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可基于超声波多普勒效应推导出移动物体的速度，具体公式如下：
（1）当波源静止，观察者运动时 f=[(u+Vr)/u]f0 ① （2）当波源运动，观察着静止时 f=[u/(u-Vs)]f0 ②（3）当两者同时运动时 f=[(u+Vr)/(u-Vs)]f0 ③由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下： （1）当波源静止，观察者运动时 Vr=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ④（2）当波源运动，观察者静止时 Vs=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ⑤（3）当两者相对运动时 Vr={[(f’-f0)u2-(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0-f’)Vs]}u ⑥其中第⑤式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第⑥式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第⑤式先求出波源的运动速度， 进而求出物体的运动速度。由上述推导公式可知，只要得到多普勒频移信号f-f0，即可求得物体的运动速度Vr。 1.2单片机 1.2.1单片机简介 单片机是一种集成在硅片上的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。