CN109036008A - 基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验装置及方法 - Google Patents

基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于陈寿元效应的水波频率随传播距离而衰减、红移的实验装置及方法，实验装置包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波的频率来观测水波频率随传播距离的衰减；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，用于消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。

Description

基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验装置及方法
技术领域
本发明涉及教学科研仪器领域，具体涉及一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验装置及方法。
背景技术
水波的产生、传播、接收理论与技术经过几百年的发展，已非常成熟。目前对于水波波长变化的原因，人们主要认为源于多谱勒效应，即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，或媒质的流动引起波长变化，现有的教学平台用于观测基于多普勒效应的水波波长变化已经非常成熟，但是针对水波波长变化源于陈寿元效应的观测教学平台，却尚未出现。
陈寿元效应是指：水波在传播过程中，由于水波能损耗及扩散、色散造成了能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强时以振幅衰减为主，频率衰减为辅；在信号弱时，振幅、频率都快速衰减，频率的变化带动了波长的变化，所以水波在传播过程中波长的变化是波能损耗引起的。
水波是无色透明的表面波，且不易观测，因此也需要研究如何有效得观测水波的频率变化与红移。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移的实验装置，可在陈寿元效应的基础上观测到水波频率随传播距离衰减以及水波波长的变化，即水波的红移。
为了实现上述目的，本发明采用如下方案：
一种基于陈寿元效应的水波频率衰减实验装置，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波的频率来观测水波频率随传播距离的衰减；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
进一步的，所述信号发生模块包括低频电信号发生器，第一放大器，波动模式转换器，所述波动模式转换器用于将电信号转变为水波信号。
进一步的，所述信号检测模块包括依次连接的滤波器、第二放大器、相位角积累器和显示单元，水波信号通过水波传播通道到达信号检测模块，采用相位角积累器将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。
进一步的，在所述水波传播通道的前端与末端之间设有跟随器，用于提高测量精度，消除信号漂移。
进一步的，所述信号发生模块具有波源调节单元，用于调节所述产生设定频率的水波的物理性质。
进一步的，所述波源调节单元具有波源功率调节器和波源频率调节器，分别用于调节所述水波的初始功率和初始频率。
进一步的，所述实验装置位于封闭空间内，所述封闭空间是基于振动相对隔绝设备、光照相对隔离设备、噪音相对隔绝设备以及温度相对恒定设备构建的。
进一步的，所述水波传播通道采用长距离传播媒质，所述距离在5米以上，50米以下。
本发明还提供了另一种技术方案：
一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验方法，采用信号发生模块产生设定频率的水波，水波经其传播通道传输后，采用跟随测量方法检测测点的水波频率变化，采用相位角积累方法将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量，根据频率与波长的关系，将水波频率衰减转化为波长的变化，即为水波的红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和测点位置保持相对静止，消除多普勒效应。水面、水体没有移动，用于消除媒质移动引起的波长变化。
本发明还提供了另一种技术方案：
一种基于陈寿元效应的水波红移的实验装置，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波波长来观测水波红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，用于消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
本发明的有益效果：
本发明提供了一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移的实验装置及方法，使得在对水波频率以及波长随距离变化的认识上，给出了一种全新的视角，即排除了多普勒效应和赛克尼克效应，一方面可以使学生参与到陈寿元效应的理论学习与实验学习中，另一方面可以促进科研学界对陈寿元效应的研究与发展。
附图说明
图1为本发明的一种典型实施例示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本发明的一种典型实施例为一种基于陈寿元效应的水波频率随传播距离衰减的实验装置，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；
所述信号发生模块包括低频电信号发生器，第一放大器，波动模式转换器，波动模式转换器用于将电信号转变为水波信号。信号发生器具有波源调节单元，波源调节单元分为波源功率调节器和波源频率调节器，分别可以调节水波的初始功率和初始频率。
信号发生器通过第一放大器产生一定初始功率和初始频率的水波。水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波的频率来观测水波频率随传播距离的衰减；信号检测模块包括依次连接的滤波器、第二放大器、相位角积累器和显示单元，水波信号通过水波传播通道到达信号检测模块，采用相位角积累器将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。
信号发生器通过第一放大器产生的水波振幅控制在设定幅度以下，这样能更加明显得观测到水波的频率变化和红移。
本实施例中采用通道跟随器，使得水波信号在媒质传播后，采用紧密跟随测量技术实现对测量点相位积累的检测。
本实施例中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止。借此可以排除多普勒效应，即声源位置、测量点位置、及它们的相对距离固定不变；同时可以排除赛克尼克效应：即传输媒质没有运动，排除媒质运动引起频率变化；同时实验装置位于封闭空间内，封闭空间是基于振动相对隔绝设备、光照相对隔离设备、噪音相对隔绝设备以及温度相对恒定设备构建的。这样可以保证所有的水波源、传输通道、测量点探头，都在封闭、隔音、防震的空间内，排除风吹、外部振动引起的影响，同时信号发生模块的输出振幅低于设定值。
本发明的再一实施例是一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验方法，采用信号发生模块产生设定频率的水波，水波经其传播通道传输后，采用跟随测量方法检测测点的水波频率变化，采用相位角积累方法将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量，根据频率与波长的关系，将水波频率衰减转化为波长的变化，即为水波的红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和测点位置保持相对静止，消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
利用上述实施例进行实验的具体原理以及过程如下所述：
现有的理论认为水波频率微小变化是由于波源与观测者之间的距离变化引起的(为多普勒效应)。本发明提供的水波频率的变化的原因是水波在传播过程，由于波能损耗及扩散、色散等，是能量强度降低。波能量的两个因子振幅和频率，在信号强，振幅衰减为主，频率衰减为辅。信号很弱时，振幅、频率都快速衰减。
陈寿元效应：波动在传播过程中，自然存在波能量的扩散、色散、损耗，使得波能量损失，又导致波的振幅降低(该部分内容是现有理论所证明的)、频率衰减(基于陈寿元效应的发现)，引起波长增加，形成所谓的红移。
下面是对陈寿元效应的理论分析：
波长相对变化量(红移)：
λ—波长；Z—红移量，x—波的传播距离，α—损耗系数；λ0---入射端的波长；λ---波传播到x处的波长。C—水波在静止水面传播速度；ω(0)---入射端波的角速度。k—波损耗过程中，频率衰减的对波能量损耗的贡献因子。
我们将波能损耗用能位函数表示：
假设波动从A处传送到B处，受到万有阻力的作用，损失振动能量。假定：1个单位质量的质点，振动具有的振动能量，称为振动能量位函数，简称振动能位函数。A处振动能位函数用表示，B处振动能位函数用表示，则有；
(a)式中：E—能场强度，克服万有阻力而做功。波动从A点传递到B点的必要条件：
A点的能场强度EA:
下面我们推导波源的振动能位函数：
能位函数：Q能量荷(具有能量为Q，不占用空间，为理想的点。在坐标系r′，在场点r产生能位函数：
式中：∈--媒质的介能常数，∈0–真空介能常数。
E—能场强度：可用能位函数的负梯度来表示：
如果能荷Q由质点的无阻尼自有振动产生，沿Y轴方向振动，符合余弦方式：
y＝A cos(ωt+θ) (1.3)
式中：A–为振幅；ω—振动角速度。
质点振动的速度：
质点振动的加速度：
质点的振动能：
单位质点的振动能称为振动能位函数：
(1.6)和(1.7)式表明质点的振动能EK、振动能位函数与振动的频率平方成正比。
这里引入发电机理论：
发电机一旦制作完成，它的转子尺寸，转子的面积S是固定值，发电机内部磁场的磁感应强度B基本上是固定值。即通过转子的最大磁通量就是一个固定值：
转子转动时，通过它的磁通量是按余弦变化：
根据法拉第电磁感应定律：感应电动势
(1.10)式表明感应电动势与发电机的转速平方成正比
发电机提供的瞬时实功率：
由发电机理论可知((1.11)式)：发电机提供的功率与发电机的转速(频率)的平方成正比。
接下来，我们研究波动的能位函数：
波动是振动状态的传播，相位传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿Y轴方向振动，沿X轴向传播。
波函数的一般表达式：
Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx) (2.1)
(2.1)式中：A(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减,是X的函数。ω(x)角速度，目前认为它不随传播距离变化，是不变量。但是前面的分析，振源能量与频率平方成正比。能量是要消耗，散开。能量在空间上的散开，表现占用更大面积或更大的体积空间,使波长变长。在时域上，能量散开意味着占用更多的时间段,使振动的的周期有延长的趋势。
波函数中每个质点沿Y方向振动的速度：
波动函数的能位函数
(2.3)式表明波动的能位函数与波动的频率平方成正比。
在一个波长范围内对取均值，因为A(x)，ω(x)在一个波长范围内变化很小，认为是暂稳态值。均值只是对sin2(ω(x)t--k x)进行，波动能位函数的均值为：
假定波函数在信道媒质内传播的功率与能位函数成正比。在一般的条件下，功率P随距离X变化，可用下式表示
p(x)＝p(0)e-αx (2.5)
式中，α是损耗系数，p(0)为信道入射端x＝0处，入射功率，p(x)为信道X处输出功率。
根据上面的假定，波函数在信道里传输，其能位函数受损耗的影响而衰减，设长度为X信道媒质，入射端x0振动能位函数根据式(2.5)式，输出端x振动能位函数
把(2.4)式带入(2.6)式，得：
A2(x)ω2(x)＝A2(0)ω2(0)e-αx (2.7)
对(2.7)式两边开方，得：
对(2.8)式进行讨论：
一、若信号传输过程中，频率不变，即：
ω(x)＝ω(0)
则有：
波函数：Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx)的振幅A(x)随距离x按(2.9)式衰减。
二、若信号传输过程中，振幅保持不变，即：
A(x)＝A(0)
则有：
波函数：Y(x,t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx)的频率ω(x)随距离x按(2.10)式衰减。频率降低，波长变长，形成信道红移。
三、A(x)，ω(x)共同分担信号的衰减量：
四、
若信号振幅按(2.13)式快速衰减，信号的能量积累到频率上。则有ω(x)>ω(0)
五、
若信号频率按(2.14)式快速衰减，信号的能量积累到振幅上。则有A(x)>A(0)
六、更一般情况，A(x)、ω(x)衰减速率：从
到之间变化。
本实施例通过信号发生模块产生不同频率的水波，经长距离传播媒质后到达检测模块，所述距离在5米以上，50米以下。检测模块通过滤波、放大、相位角积累处理后，可以将对水波频率衰减的测量转化为相位角积累的测量，具体的测点可以在长距离传播媒质上的选取若干个信号测量点，每个测量点的位置不同，在各测量点之间采用紧密跟随的测量技术，得到水波信号水波频率的衰减值。
本发明的再一实施例是一种基于陈寿元效应的水波红移的实验装置，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波波长来观测水波红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
所述信号检测模块包括依次连接的滤波器、第二放大器、相位角积累器和显示单元，水波信号通过水波传播通道到达信号检测模块，采用相位角积累器将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。
本实施例与上述实施例不同在于，测量得出水波频率的变化之后，可以根据频率与波长的关系，将水波经长距离媒质传输后的频率测量值转换成波长变化，这样就得到了波长相对变化量—红移量。具体的，需要在上述实施例的基础上，信号检测模块中添加波长频率转换计算单元。
采用上述实施例在进行实验过程中，首先根据实验目的进行各模块的组装，然后再进行性能调试。经过调试后，根据不足和缺陷，修改不足，去掉缺陷，再进行系统测试，保证个个环节都在良好运行的状态下进行实验，也就进入了测量阶段。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于陈寿元效应的水波频率衰减实验装置，其特征在于，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波的频率来观测水波频率随传播距离的衰减；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，用于消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述信号发生模块包括低频电信号发生器，第一放大器，波动模式转换器，所述波动模式转换器用于将电信号转变为水波信号。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述信号检测模块包括依次连接的滤波器、第二放大器、相位角积累器和显示单元，水波信号通过水波传播通道到达信号检测模块，采用相位角积累器将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：在所述水波传播通道的前端与末端之间设有跟随器，用于提高测量精度，消除信号漂移。
5.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述信号发生模块具有波源调节单元，用于调节所述产生设定频率的水波的物理性质。
6.根据权利要求5所述的实验装置，其特征在于：所述波源调节单元具有波源功率调节器和波源频率调节器，分别用于调节所述水波的初始功率和初始频率。
7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述水波传播通道采用长距离传播媒质，所述距离在5米以上，50以下。
8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于：所述实验装置位于封闭空间内，所述封闭空间是基于振动相对隔绝设备、光照相对隔离设备、噪音相对隔绝设备以及温度相对恒定设备构建的。
9.一种基于陈寿元效应的水波频率衰减、红移实验方法，其特征在于：采用信号发生模块产生设定频率的水波，水波经水波传播通道传输后，采用跟随测量方法检测测点的水波频率变化，采用相位角积累方法将水波频率的衰减转化为对相位角的积累测量，根据频率与波长的关系，将水波频率衰减转化为波长的变化，即为水波的红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和测点位置保持相对静止，用于消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
10.一种基于陈寿元效应的水波红移实验装置，其特征在于，包括信号发生模块、水波传播通道和信号检测模块；所述信号发生模块用于产生设定频率的水波，水波通过水波传播通道到达信号检测模块，信号检测模块通过测量水波波长来观测水波红移；其中信号发生模块产生水波的声源位置、水波传播通道和信号检测模块的测点位置保持相对静止，用于消除多普勒效应，及媒质移动引起波长的变化。
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