[發明專利]基于陳壽元效應的聲波頻率衰減、紅移實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 201710432500.6
• 申請日: 2017-06-09
• 公開（公告）號: CN109029691A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 陳壽元
• 申請（專利權）人: 山東師范大學
• 主分類號: G01H11/06
• 分類號: G01H11/06;G09B23/14
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 黃海麗

本發明涉及一種基于陳壽元效應的聲波頻率隨傳播距離而衰減、波長變長（即波長相對增加量稱為紅移）的實驗裝置及方法，實驗裝置包括信號發生模塊、聲波傳播通道和信號檢測模塊；所述信號發生模塊用于模擬產生設定頻率、振幅的聲波，聲波通過聲波傳播通道到達信號檢測模塊，信號檢測模塊通過測量聲波波長來觀測聲波紅移；其中信號發生模塊產生聲波的聲源位置、聲波傳播通道和信號檢測模塊的測點位置保持相對靜止。

技術領域

本發明涉及教學科研儀器領域，具體涉及一種基于陳壽元效應的聲波頻率衰減、紅移實驗裝置及方法。

背景技術

聲波的產生、傳播、接收理論與技術經過幾百年的發展，已非常成熟。目前對于聲波波長變化的原因，人們主要認為源于多譜勒效應，即物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化，或媒質的移動引起波長變化，現有的教學平臺用于觀測基于多普勒效應的聲波波長變化已經非常成熟，但是針對聲波波長變化源于陳壽元效應的觀測教學科研平臺，卻尚未出現。

陳壽元效應是指：聲波在傳播過程中，由于聲波能量的媒質損耗及擴散、色散造成了能量強度降低。聲波能量的兩個因子振幅和頻率，在信號強時以振幅衰減為主，頻率衰減為輔；在信號弱時，振幅、頻率都快速衰減，頻率的變化帶動了波長的變化，所以聲波在傳播過程中，波長的變化是波能損耗引起的。

傳統的聲波發射與接收之間的距離在10米以內，超過十米聲波的接收效率就會很低，采用陳壽元效應測量聲波的頻率衰減需要較長距離的傳輸通道，為此有必要研究具有高靈敏度的聲波檢測裝置。

發明內容

針對現有技術中存在的不足，本發明提供了一種基于陳壽元效應的聲波頻率隨傳播距離而衰減、產生紅移的實驗裝置，可在陳壽元效應的基礎上觀測到聲波頻率隨傳播距離衰減以及聲波波長的變長的現象，即聲波的紅移。

為了實現上述目的，本發明采用如下方案：

一種基于陳壽元效應的聲波頻率衰減實驗裝置，包括信號發生模塊、聲波傳播通道和信號檢測模塊；所述信號發生模塊用于產生設定頻率、振幅的聲波，聲波通過聲波傳播通道到達信號檢測模塊，信號檢測模塊通過測量聲波的頻率來觀測聲波頻率隨傳播距離的衰減；其中信號發生模塊產生聲波的聲源位置、聲波傳播通道和信號檢測模塊的測點位置保持相對靜止。

進一步的，所述信號發生模塊包括依次連接的電信號發生器、功率放大器和電聲轉換器。

進一步的，所述信號檢測模塊包括依次連接的聲電探頭、自適應放大模塊、濾波器、相位角積累器和顯示單元，聲波信號通過聲波傳播通道到達信號檢測模塊，采用相位角積累器將聲波頻率的衰減轉化為對相位角的積累測量。

進一步的，所述自適應放大模塊采用多級放大，每級放大之間設置反饋電阻，用于確定每級放大倍數。

進一步的，在所述聲波傳播通道的前端與末端之間設有跟隨器，用于提高測量精度，消除信號源漂移。

進一步的，所述波源調節單元具有波源功率調節器和波源頻率調節器，分別用于調節所述聲波的初始功率和初始頻率。

進一步的，所述實驗裝置位于封閉空間內，所述封閉空間是基于振動相對隔絕設備、光照相對隔離設備、噪音相對隔絕設備以及溫度相對恒定設備構建的。

進一步的，所述聲波傳播通道采用長距離傳播媒質，所述距離在10米以上，120米以下。

本發明還提供了另一種技術方案：

一種基于陳壽元效應的聲波頻率衰減、紅移實驗方法，采用信號發生模塊產生設定頻率、振幅的聲波，聲波經聲波傳播通道傳輸后，采用跟隨測量方法檢測測點的聲波頻率變化，采用相位角積累方法將聲波頻率的衰減轉化為對相位角的積累測量，根據頻率與波長的關系，將聲波頻率衰減轉化為波長的變化，即為聲波的紅移；其中信號發生模塊產生聲波的聲源位置、聲波傳播通道和測點位置保持相對靜止。