声波和多普勒频移

Physics II

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Overview

资料来源:阿里安娜布朗Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

波是通过物质的介质或空空间传播的干扰。光波通过真空和一些形式的物质,可以旅行和是横向的性质,这意味着振荡是垂直于传播方向。然而,声波穿过空气,像弹性介质的压力波,纵的性质,这意味着振荡的传播方向平行的。声音由振动的物体,像一个人或一架钢琴,在字符串的声带介绍到介质时空气中微粒的经验向前和向后运动振动物体向前和向后。这将导致的地区空气中在空气中的微粒压缩在一起,称为按压和其他区域在哪里,他们都分开,称为稀薄化。创造一种声波的能量势能由按压和动能的小小的动作和介质的颗粒速度之间摇摆不定。

压缩或稀释可以用于定义声波速度与频率之间的关系。这次实验的目标是测量空气中的声速和探索对一个物体发射声波在运动,被称为多普勒效应的频率也明显的变化。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学精要 II. 声波和多普勒频移. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

声波的传播,它定期压缩和圆滑 (展开) 空气分子在任何一个位置。由于压力与密度之间的关系是依赖于温度,声音穿过空气的速度也是依赖于温度,定义为:

Equation 1(方程 1)

摄氏度 (° C) 和第五的空气温度TC在哪里是声波测量米每秒 (m/s) 的速度。经典,波的速度被定义为:

Equation 2(公式 2)

λ是波长 (m),或压力波和f之间的距离是频率 (赫兹) 或每单位时间波数目。方程 1是一种估计为空气处于停滞状态;如果声波的介质出差旅行,声音的速度将取决于运动的方向改变。例如,声波朝着相反方向的强风很可能会以风的速度降低其速度。在这个实验中,这种影响是可以忽略不计。

当声音的来源变化速度或方向和介质是一般处于停顿状态,有的声波速度没有变化。然而,观察者可能会听到虚假增加或减少频率,由于多普勒效应。当波源靠近观察者,在靠近的位置发出海浪。他们仍然发出相同的频率,但由于它们的相对位置当源移动他们到达观测绑在了一起,看似在更高的频率。按照同样的逻辑,当源远离观察者,观察者听到在较低频率的声音。最简单的方法来理解这种效应是想象一辆警车与警笛开往行人: 它驶向行人、 以及对行人的频率出现来获得更高和高,直到最后的车经过的行人,行人开始听到频率随车开走。观察到的频率f与发射的频率f0之间的关系是由定义的:

Equation 3

c 是声波在空气中的速度, vr是接收机相对于介质的速度和 (如果接收器处于静息状态 = 0),和vs是源相对于介质的速度。

在此实验中,我们将计算使用不同的频率和波长,声音的速度,并比较那速度的理论速度。我们也将观察上发出的音叉的频率的多普勒效应。

Procedure

1.声音速度的测量

  1. 设置: 面对另一个光学板凳上的两个扬声器。一位发言者应插入一侧的 BNC 三通,与另一边的 BNC 三通连接到通道 A 在示波器 (信号) 函数发生器。第二位应插入通道 B 中的示波器。
  2. 打开信号发生器和示波器,并调整发电机产生 5 千赫波上的拨号。连接到函数发生器扬声器应该生产出稳定的沥青,听起来像报警和两个波应显示在示波器上。
  3. 幻灯片连接到通道 B 沿板凳上,直到处于阶段,两个波的演讲者。记录两个扬声器之间的距离。
  4. 慢慢地倒退通道 B 议长波的位相。继续向后滑动,直到波处于阶段再次。记录在扬声器之间的新距离。
  5. 减去最后的距离从最初找到声音的波长。使用此值和频率来计算观测的方程2 的声音的速度。
  6. 重复步骤 1.3-1.5 8 千赫和 3 千赫频率。注意到波长和频率成反比关系。
  7. 比较实验速度到预期的速度使用教室温度。

2.多普勒效应,音叉/多普勒仪

视频演示实验使用多普勒仪,但这同样进行实验,可以使用音叉。本文介绍了使用音叉的协议:

  1. 领带 1 m 的一块长到音叉的末尾的字符串。当举行腰长度,音叉应该接近,但不是能接触地面。
  2. 将麦克风连接到示波器的通道,把麦克风放在一个固定的距离 (约 1.5 米)。
  3. 打音叉发出一种声音,并在从麦克风 1.5 米处的地方举办。注意多少波出现在屏幕上。
  4. 又一次击中音叉和开始在一个稳定的速度在圈子里摇摆周围叉子。
  5. 那些观察摆动音叉会注意到当叉子摆动走向他们,的频率或沥青,获取更高。同时,示波器应在屏幕上显示略多波。当它摆动离他们而去,球场获取较低和示波器屏幕上应该显示略少波。请参阅下面的图 1为示波器视图的一个示例。

Figure 1
图 1: 描绘的音叉声波经历多普勒效应由示波器捕获。当叉子摆动向麦克风,声波在近距离发射和音调高的假象。注意: 在追溯示波器显示器上的波的频率的变化可能是微妙的和如声波振幅成正比卷 (或响度),波的振幅也将改变音叉的位置。

与不同的光波,声波是通过介质,可以是固体、 气体或液体传播的干扰。

光波是有振荡与.传播方向垂直的横波而声波的振荡是传播方向平行的纵向压力波。

在这个视频中,我们将探索各种属性的声波和了解多普勒效应 — — 由奥地利物理学家克里斯琴 · 多普勒.发现这个现象接下来,我们将学习如何衡量扬声器,传出来的声音的速度以及如何可视化在实验室中的多普勒效应。最后,我们将看到一些例子这些概念都适用。

让我们开始讨论声波和多普勒频移现象.属性当声音通过振动的物体,如一根吉他弦,介绍了空气中的微粒经验向前和向后运动。

这将创建区域在空气粒子是压缩,称为外按压,或分开,称为稀薄化。这些功能可以用于定义声波速度与频率的关系。

按压之间的距离为波长或 lambda,有的单位米.频率是每秒波长周期的数量以赫兹表示。声音的速度是这两种品质的产品。

因为声波受压的颗粒在介质中,空气分子密度有影响了声音的速度。空气的密度取决于周围的温度,因此,声波的速度还取决于温度。

假定空气处于停滞状态,声波通过空气的速度都可以计算加上,使用以下公式,Tc 在哪里的空气温度摄氏温度。

如果空气是移动的声音的速度会改变根据空气的流动方向。例如,如果声波正朝着相反的方向的一阵大风,波速度被减少了风的速度。

现在,让我们看看移动的声音时,会发生什么。例如,坐救护车发出警报声在一个固定的频率,金融时报 》。临近的救护车后,感知的海妖,fr,增大直到它到达你。这是因为随着警笛走向你,声波的相对位置一堆在一起,和声音似乎比传输频率较高的频率。

相同的逻辑,救护车开走,你听到警笛在越来越低的音调,如声波分开,声音似乎比传输频率较低的频率。在任何给定时间的发射和感知的频率之间的差异被称为多普勒效应或多普勒频移。

既然我们已经讨论了声波和多普勒频移的基本知识,让我们先看看如何衡量在不同频率的声音的速度。然后,我们将演示如何可视化使用移动装置的多普勒效应。

首先,设置两个扬声器面临另一个光学的长凳上。一位发言者连接到使用 BNC 三通,与另一边的 BNC 三通连接到通道 1 或 A 示波器上的函数发生器

接下来,第二位,在示波器通道 2 或 B。

打开函数发生器和示波器,并调整函数发生器产生波 5 千赫频率上的刻度盘。连接到函数发生器扬声器应该生产出稳定的沥青,听起来像是报警。相位差与另一个的两个 5 千赫兹波,一个发光的扬声器,一个用于接收议长应显示在示波器上的不同颜色。

慢慢地滑扬声器连接到通道 B 沿板凳上,直到两个波处于阶段。然后,记录两个扬声器之间的距离。

接下来,慢慢滑通道 B 扬声器发光说话所以波位相。继续直到波处于阶段再次向后滑动演讲者。记录在扬声器之间的新距离。对于 8 千赫和 3 千赫频率重复实验

若要计算的声波速度,首先减去从最初给的声波波长的最终距离。然后,使用此值和频率来获得速度。请注意波长和频率成反比关系。

比较实验速度与预期的速度使用房间的温度。不同频率的实验值似乎是大致相同的和它们与预期值之间的差异是等于或小于 1%。

第一,配合一块一米长的字符串末尾多普勒仪。当举行腰部高度,仪器应接近,但不是能接触地面。

接下来,将麦克风连接到示波器的通道,并将麦克风放在一个固定的距离-1.50 m — — 从你所站。

打开多普勒仪,并把它握在距麦克风 1.5 米的地方。观察在示波器波。

开始在一个稳定的速度在圈子里摆动装置周围。那些观察摆动装置将会注意到球场或频率,获取更高作为它摆动接近他们,和较低的它波动消失。

同时,示波器将显示波动较大或一个更高的频率,当仪器是靠近麦克风。当该仪器是远离麦克风的频率下降。

声音和声波在日常生活中发现,在艺术、 科学和医学的许多领域中使用。

当有人使用开放式空气柱仪,像喇叭,声波在管内产生创造音乐。当空气推入仪器,振动导致发生时内压力波,从管的内部反射。

只有压力波的某些波长和频率适应内管和共鸣,创建声音。其他所有的波长和频率都将丢失。

多普勒效应是多普勒超声仪,用于血管评估的基础。手持多普勒设备组成的探头放在病人的皮肤上。该探测器发出超声波在特定的频率,反映血液细胞,并由接收元素在探针检测。血流速度明显的反射波的频率的变化。

你刚看了朱庇特的引进多普勒效应。现在,您应了解的基本原则的多普勒效应,如何衡量在实验室中,声波的速度和技术在现实世界中的一些应用。谢谢观赏 !

Results

房间温度: 20 ° C

预期速度: v = 331.4 + 0.6(20) = 343.4 m/s

频率 初始阶段的距离 最后阶段的距离 波长 计算的速度 错误 %
5 千赫 27.4 厘米 34.3 厘米 6.90 厘米 345 米/秒 0.5%
8 千赫 25.5 厘米 29.75 厘米 4.25 厘米 340 米/秒 1.0%
3 千赫 22.8 厘米 34.2 厘米 11.40 厘米 342 m/s 0.4%

使用方程 2,到一个相当精确的值,就可以计算出声音的速度。例如,对于第一次的频率, f = 5 千赫 = 5000 赫兹和λ = 6.90 厘米 = 0.069 m,那么速度 =可以= x 0.069 5,000 = 345 米/秒。要确定预期的速度与速观测的值之间的误差,我们雇用以下内容:

Equation 4

多普勒效应将明显通过摇摆的音叉或任何其他声音的发光物体。当音叉摆动走向麦克风,声波得到捆绑在一起,产生一个更高的频率,通过群聚声波在示波器上可见一斑。如叉波动消失,海浪成为更分散开来,在示波器波也是如此。

Applications and Summary

在这个实验中,声音的波动性质定义和探索。具体而言,确诊了声波频率、 波长和速度之间的关系。音叉旨在发出只有一个频率,使他们最佳的设备表现出多普勒效应。分别搭音叉接近,进一步观察,从频率出现较高和较低。多普勒效应和方程 2可以扩大到其他波形式,如光。

作为人类,我们使用声波沟通每一天。然而,这些形式的通信之一真正代表怎样我们的物种首先利用物理学的声音: 音乐,特别是文书需要呼吸。开放式空气柱仪器,像喇叭,低音号或长笛,包括括有时弯曲的空心管内空气柱。当空气推入仪器,振动导致发生时内压力波,从管的内部反射。然而,只有压力波的某些波长和频率与反映在这种波从而创建站压力波的他们开始干扰事件的方式。每个乐器有一整套的固有频率,它振动,或产生共鸣。这些被称为谐波和各次谐波都与定义由其终结点、 波长和频率的特定驻波模式相关联。在长笛,可以沿着长笛的减少有效长度的边界,因此减少波长和频率越来越开孔。在小号,阀门使航空旅行通过喇叭的大小不同,波长和频率的变化结果再次造成的不同部分。

引人注目的多普勒效应的应用是多普勒天气雷达,气象学家用于读取天气事件。通常情况下,发射机发射无线电波在特定的频率,朝着天空从一个气象站。无线电波弹跳的云、 降水,然后回到气象站。波反射回车站的频率出现减少如果云或降水移动站,而无线电频率似乎如果大气对象也正朝着车站增加。这项技术也可以用于确定风速和方向。

多普勒效应还在医学物理学的应用。多普勒超声心动图,在某一频率的声波输送到心脏和反映移动通过心脏和血管的血液细胞。类似于多普勒天气雷达,心脏病学家可以理解在收到后反射的频率偏移导致心脏血流方向与速度。这可以帮助他们确定阻塞的心脏地区。

1.声音速度的测量

  1. 设置: 面对另一个光学板凳上的两个扬声器。一位发言者应插入一侧的 BNC 三通,与另一边的 BNC 三通连接到通道 A 在示波器 (信号) 函数发生器。第二位应插入通道 B 中的示波器。
  2. 打开信号发生器和示波器,并调整发电机产生 5 千赫波上的拨号。连接到函数发生器扬声器应该生产出稳定的沥青,听起来像报警和两个波应显示在示波器上。
  3. 幻灯片连接到通道 B 沿板凳上,直到处于阶段,两个波的演讲者。记录两个扬声器之间的距离。
  4. 慢慢地倒退通道 B 议长波的位相。继续向后滑动,直到波处于阶段再次。记录在扬声器之间的新距离。
  5. 减去最后的距离从最初找到声音的波长。使用此值和频率来计算观测的方程2 的声音的速度。
  6. 重复步骤 1.3-1.5 8 千赫和 3 千赫频率。注意到波长和频率成反比关系。
  7. 比较实验速度到预期的速度使用教室温度。

2.多普勒效应,音叉/多普勒仪

视频演示实验使用多普勒仪,但这同样进行实验,可以使用音叉。本文介绍了使用音叉的协议:

  1. 领带 1 m 的一块长到音叉的末尾的字符串。当举行腰长度,音叉应该接近,但不是能接触地面。
  2. 将麦克风连接到示波器的通道,把麦克风放在一个固定的距离 (约 1.5 米)。
  3. 打音叉发出一种声音,并在从麦克风 1.5 米处的地方举办。注意多少波出现在屏幕上。
  4. 又一次击中音叉和开始在一个稳定的速度在圈子里摇摆周围叉子。
  5. 那些观察摆动音叉会注意到当叉子摆动走向他们,的频率或沥青,获取更高。同时,示波器应在屏幕上显示略多波。当它摆动离他们而去,球场获取较低和示波器屏幕上应该显示略少波。请参阅下面的图 1为示波器视图的一个示例。

Figure 1
图 1: 描绘的音叉声波经历多普勒效应由示波器捕获。当叉子摆动向麦克风,声波在近距离发射和音调高的假象。注意: 在追溯示波器显示器上的波的频率的变化可能是微妙的和如声波振幅成正比卷 (或响度),波的振幅也将改变音叉的位置。

与不同的光波,声波是通过介质,可以是固体、 气体或液体传播的干扰。

光波是有振荡与.传播方向垂直的横波而声波的振荡是传播方向平行的纵向压力波。

在这个视频中,我们将探索各种属性的声波和了解多普勒效应 — — 由奥地利物理学家克里斯琴 · 多普勒.发现这个现象接下来,我们将学习如何衡量扬声器,传出来的声音的速度以及如何可视化在实验室中的多普勒效应。最后,我们将看到一些例子这些概念都适用。

让我们开始讨论声波和多普勒频移现象.属性当声音通过振动的物体,如一根吉他弦,介绍了空气中的微粒经验向前和向后运动。

这将创建区域在空气粒子是压缩,称为外按压,或分开,称为稀薄化。这些功能可以用于定义声波速度与频率的关系。

按压之间的距离为波长或 lambda,有的单位米.频率是每秒波长周期的数量以赫兹表示。声音的速度是这两种品质的产品。

因为声波受压的颗粒在介质中,空气分子密度有影响了声音的速度。空气的密度取决于周围的温度,因此,声波的速度还取决于温度。

假定空气处于停滞状态,声波通过空气的速度都可以计算加上,使用以下公式,Tc 在哪里的空气温度摄氏温度。

如果空气是移动的声音的速度会改变根据空气的流动方向。例如,如果声波正朝着相反的方向的一阵大风,波速度被减少了风的速度。

现在,让我们看看移动的声音时,会发生什么。例如,坐救护车发出警报声在一个固定的频率,金融时报 》。临近的救护车后,感知的海妖,fr,增大直到它到达你。这是因为随着警笛走向你,声波的相对位置一堆在一起,和声音似乎比传输频率较高的频率。

相同的逻辑,救护车开走,你听到警笛在越来越低的音调,如声波分开,声音似乎比传输频率较低的频率。在任何给定时间的发射和感知的频率之间的差异被称为多普勒效应或多普勒频移。

既然我们已经讨论了声波和多普勒频移的基本知识,让我们先看看如何衡量在不同频率的声音的速度。然后,我们将演示如何可视化使用移动装置的多普勒效应。

首先,设置两个扬声器面临另一个光学的长凳上。一位发言者连接到使用 BNC 三通,与另一边的 BNC 三通连接到通道 1 或 A 示波器上的函数发生器

接下来,第二位,在示波器通道 2 或 B。

打开函数发生器和示波器,并调整函数发生器产生波 5 千赫频率上的刻度盘。连接到函数发生器扬声器应该生产出稳定的沥青,听起来像是报警。相位差与另一个的两个 5 千赫兹波,一个发光的扬声器,一个用于接收议长应显示在示波器上的不同颜色。

慢慢地滑扬声器连接到通道 B 沿板凳上,直到两个波处于阶段。然后,记录两个扬声器之间的距离。

接下来,慢慢滑通道 B 扬声器发光说话所以波位相。继续直到波处于阶段再次向后滑动演讲者。记录在扬声器之间的新距离。对于 8 千赫和 3 千赫频率重复实验

若要计算的声波速度,首先减去从最初给的声波波长的最终距离。然后,使用此值和频率来获得速度。请注意波长和频率成反比关系。

比较实验速度与预期的速度使用房间的温度。不同频率的实验值似乎是大致相同的和它们与预期值之间的差异是等于或小于 1%。

第一,配合一块一米长的字符串末尾多普勒仪。当举行腰部高度,仪器应接近,但不是能接触地面。

接下来,将麦克风连接到示波器的通道,并将麦克风放在一个固定的距离-1.50 m — — 从你所站。

打开多普勒仪,并把它握在距麦克风 1.5 米的地方。观察在示波器波。

开始在一个稳定的速度在圈子里摆动装置周围。那些观察摆动装置将会注意到球场或频率,获取更高作为它摆动接近他们,和较低的它波动消失。

同时,示波器将显示波动较大或一个更高的频率,当仪器是靠近麦克风。当该仪器是远离麦克风的频率下降。

声音和声波在日常生活中发现,在艺术、 科学和医学的许多领域中使用。

当有人使用开放式空气柱仪,像喇叭,声波在管内产生创造音乐。当空气推入仪器,振动导致发生时内压力波,从管的内部反射。

只有压力波的某些波长和频率适应内管和共鸣,创建声音。其他所有的波长和频率都将丢失。

多普勒效应是多普勒超声仪,用于血管评估的基础。手持多普勒设备组成的探头放在病人的皮肤上。该探测器发出超声波在特定的频率,反映血液细胞,并由接收元素在探针检测。血流速度明显的反射波的频率的变化。

你刚看了朱庇特的引进多普勒效应。现在,您应了解的基本原则的多普勒效应,如何衡量在实验室中,声波的速度和技术在现实世界中的一些应用。谢谢观赏 !

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