CN107038936A - 多普勒效应实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多普勒效应实验装置，包括Kinect设备、发声装置和单摆装置；其中，所述发声装置可拆卸地安装至所述单摆装置上并由所述单摆装置驱动所述发声装置做单摆运动，所述Kinect设备设置在所述发声装置的正前方，并且所述Kinect设备与显示器相连以使得所述显示器能够显示所述Kinect设备处理后的声音波形变化。该多普勒效应实验装置结构简单、使用方便、效果直观、持久时间长，便于在较小空间的实验室内演示。
Description
技术领域
本发明涉及物理实验装置，具体地，涉及多普勒效应实验装置。
背景技术
多普勒效应的主要内容为：物体辐射的波长因为波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；当运动在波源后面时则会产生相反的效应。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。
现有的用于演示多普勒效应的方法其中一种是通过在液体表面上移动振源，观察液面上水波波长的变化进行演示；另一种采用的装置主要包括：超声波发射器、超声波接收器和信息处理器。在试验中超声波接收器安装在观测的运动物体上，然后通过导线将所接收到的信号传输到信息处理器。
然而，上述演示方法有如下缺陷：方法一中由于实验室内的空间有限，因此盛放液体的容积较小，这样振源可移动的距离很有限，导致多普勒现象非常短暂，不能持续较长实践，观察难度较大。方法二中将固定于运动物体上的超声波接收器用导线连接，必然会影响运动物体的运动状态，导致测量结果包含一定的系统误差；并且在实际应用中，实验过程中导线随着运动物体的运动而被频繁拉升弯折，使得其易于被折断，给装置的正常使用带来破坏。
因此，急需要提供一种效果直观、持久时间长的多普勒效应实验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种多普勒效应实验装置，该多普勒效应实验装置结构简单、使用方便、效果直观、持久时间长，便于在较小空间的实验室内演示。
为了实现上述目的，本发明提供了一种多普勒效应实验装置，包括Kinect设备、发声装置和单摆装置；其中，
所述发声装置可拆卸地安装至所述单摆装置上并由所述单摆装置驱动所述发声装置做单摆运动，所述Kinect设备设置在所述发声装置的正前方，并且所述Kinect设备与显示器相电连以使得所述显示器能够显示所述Kinect设备处理后的声音波形变化。
优选地，所述单摆装置包括单摆臂、摆线和单摆支撑柱；所述单摆臂水平设置且两端分别与所述摆线的顶端和所述单摆支撑柱的顶端相固接，所述摆线的底端与所述发声装置可拆卸地连接；其中，
所述单摆支撑柱为可伸缩单摆支撑柱，且所述单摆支撑柱的底端设有底座。
优选地，所述Kinect设备安装在伸缩架的顶端且所述单摆支撑柱的调节行程大于所述伸缩架的伸缩行程。
优选地，所述Kinect设备与所述发声装置静止状态之间的距离大于所述摆线的长度。
优选地，所述Kinect设备的采集头与所述发声装置的连接线在同一水平线上。
根据上述技术方案，本发明通过首先制作一种稳定的单摆装置，并将能够发出连续可变化频率的发声装置与摆线连接，在发声装置正前方摆放一个Kinect设备。接着，利用Kinect设备采集发声装置静止状态下发出的声音，然后利用Kinect设备采集发声装置来回摆动发出的的声音并进行处理显示出波形。最后，通过观察波形变化，并对两种波形对比，其中波形的宽度和波峰波谷的变换即为所需要演示的多普勒效应。
该技术方案涉及到Kinect开发、opencv开发、声源发声的调制；Kinect采集声音数据、opencv存储和读取数据流相对于文件流更快速、制作单摆机械装置实现不同声波的调制。通过单摆装置和设置发声装置频率调制发出有规则频率连续变化的声音；使用Kinect采集声音原始数据，利用自动增益控制、回声消除、回声抑制等方法提高声音数据品质，然后对每一帧的数据进行量化，得出一个频率值，利用opencv画出每一帧声音数据的频率值得出波形。利用中值滤波算法对其进行处理，使得波形看起来平滑，便于实验观察，同时将每一帧的频率值实时显示。
如此，使用该设备并利用这种演示方法使得多普勒效应的效果直观、持久时间更长，大大提高了教学演示的效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是利用本发明提供的一种多普勒效应实验装置进行实验演示的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，“顶端、底端”等包含在术语中的方位词仅代表该术语在常规使用状态下的方位，或为本领域技术人员理解的俗称，而不应视为对该术语的限制。
本发明提供一种多普勒效应实验装置，包括Kinect设备、发声装置和单摆装置；其中，
所述发声装置可拆卸地安装至所述单摆装置上并由所述单摆装置驱动所述发声装置做单摆运动，所述Kinect设备设置在所述发声装置的正前方，并且所述Kinect设备与显示器相电连以使得所述显示器能够显示所述Kinect设备处理后的声音波形变化。
通过上述技术方案并参见图1可知，首先，制作一种稳定的单摆装置，并将能够发出连续可变化频率的发声装置与摆线连接，在发声装置正前方摆放一个Kinect设备。接着，利用Kinect设备采集发声装置静止状态下发出的声音，然后利用Kinect设备采集发声装置静止和运动状态下的声音数据进行存储，然后同时在显示器上读取显示波形。最后，通过观察波形变化，并对两种波形对比，其中波形的宽度和波峰波谷的变换即为所需要演示的多普勒效应。使用该设备并利用这种演示方法使得多普勒效应的效果直观、持久时间更长，大大提高了教学演示的效率。
在本实施方式中，为了优化和简化单摆装置的结构，便于课堂演示，优选地，所述单摆装置包括单摆臂、摆线和单摆支撑柱；所述单摆臂水平设置且两端分别与所述摆线的顶端和所述单摆支撑柱的顶端相固接，所述摆线的底端与所述发声装置可拆卸地连接；其中，
所述单摆支撑柱为可伸缩单摆支撑柱，且所述单摆支撑柱的底端设有底座。
同样的，优选将所述Kinect设备安装在伸缩架的顶端且所述单摆支撑柱的调节行程大于所述伸缩架的伸缩行程。
这样，进行多普勒效应演示时可以根据演示空间的大小和空间具体形状对Kinect设备和单摆装置的高度进行调节，进一步地扩大了整个实验装置的适用范围。
所述Kinect设备与所述发声装置的距离调制是十分重要的，如果超过单摆摆线，则会摆到Kinect装置麦克风阵列后面，或者撞击到Kinect导致实验数据产生误差；同时，合适的距离能够控制波形是否明显，距离过近则波形较高，距离过远则波形较低。因此，只有合适的距离能够使Kinect采集的数据在显示器上波形明显，而为了所述Kinect设备能够在最佳位置采集到所述发声装置发出的声波，优选地，所述Kinect设备与所述发声装置静止状态之间的距离为大于摆线的长度。
此外，为了尽可能地减少所述Kinect设备与所述发声装置的高度差来精确多普勒效应的实验结构，优选所述Kinect设备的采集头与所述发声装置的连接线在同一水平线上。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (5)
1.一种多普勒效应实验装置，其特征在于，包括Kinect设备、发声装置和单摆装置；其中，
所述发声装置可拆卸地安装至所述单摆装置上并由所述单摆装置驱动所述发声装置做单摆运动，所述Kinect设备设置在所述发声装置的正前方，并且所述Kinect设备与显示器相连以使得所述显示器能够显示所述Kinect设备处理后的声音波形变化。
2.根据权利要求1所述的多普勒效应实验装置，其特征在于，所述单摆装置包括单摆臂、摆线和单摆支撑柱；所述单摆臂水平设置且两端分别与所述摆线的顶端和所述单摆支撑柱的顶端相固接，所述摆线的底端与所述发声装置可拆卸地连接；其中，
所述单摆支撑柱为可伸缩单摆支撑柱，且所述单摆支撑柱的底端设有底座。
3.根据权利要求2所述的多普勒效应实验装置，其特征在于，所述Kinect设备安装在伸缩架的顶端且所述单摆支撑柱的调节行程大于所述伸缩架的伸缩行程。
4.根据权利要求2所述的多普勒效应实验装置，其特征在于，所述Kinect设备与所述发声装置静止状态之间的距离大于所述摆线的长度。
5.根据权利要求1所述的多普勒效应实验装置，其特征在于，所述Kinect设备的采集头与所述发声装置的连接线在同一水平线上。
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