xây dựng bài thực tập khảo sát hiệu ứng doppler với sóng siêu âm

Hiện tượng cũng xảy ra tương tự khi người quan sát chuyển động tương đối so với nguồn âm đang đứng yên sẽ nghe được tín hiệu đã chuyển đổi tần số.. trong suốt quá trình với vận tốc c, nh

Trang 1

Mã số:

Chủ nhiệm đề tài:

BÙI ĐỨC ÁNH

Tp Hồ Chí Minh, Tháng 3 Năm 2018

Trang 2

Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

Trang 4

DANH MỤC BẢNG, BIỂU, ĐỒ THỊ

Bảng 1: So sánh các giá trị đo của tần số f 0 và f

Bảng 2: Sự thay đổi tần số Δf = f – f 0 như là hàm của vận tốc v của xe

Hình 4 Đồ thị phụ thuộc sự thay đổi tần số vào vận tốc xe

Trang 5

THÔNG TIN KẾT QỦA NGHIÊN CỨU

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài:

XÂY DỰNG BÀI THỰC TẬP KHẢO SÁT HIỆU ỨNG DOPPLER

VỚI SÓNG SIÊU ÂM

- Mã số:

Email:bducanh@ymail.com

- Đơn vị quản lý về chuyên môn: Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa học cơ bản

- Thời gian thực hiện: tháng 6/2016 đến tháng 6/2018

2 Mục tiêu:

vụ giảng dạy cho sinh viên ngành Y-RHM

3 Nội dung chính:

- Thu thập tài liệu về siêu âm và ứng dụng của siêu âm

- Lựa chọn thiết bị để khảo sát hiệu ứng Doppler trong siêu âm

- Xây dựng quy trình, mục tiêu, nội dung của bài thực tập

- Áp dụng, cải tiến vào thực tế giảng dạy thực tập cho sinh viên ngành Y-RHM

4 Kết quả chính đạt được (khoa học, đào tạo, kinh tế-xã hội, ứng dụng, ):

- Đào tạo và Ứng dụng

Trang 6

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Đổi mới phương pháp, cải tiến phương tiện giảng dạy là một trong những vấn đề bức thiết hiện nay của giáo dục đại học ở Việt nam Đề tài này nhằm xây dựng một bài thực tập có nhiều ý nghĩa thực tiễn phục vụ giảng dạy Y khoa

Đề tài này nhằm sử dụng các một số máy móc thiết bị đã có ở Bộ môn Vật lý để xây dựng bài thực tập mới “KHẢO SÁT HIỆU ỨNG DOPPLER VỚI SÓNG SIÊU ÂM”

để phục vụ công việc thực tập Vật lý - Lý sinh cho sinh viên ngành Y –RHM nhằm đáp ứng yêu cầu cải thiện, đổi mới phương pháp giảng dạy đại học trong giai đoạn mới

Hiệu ứng Doppler thường xuyên quan sát được trong cuộc sống hằng ngày Thí dụ,

độ cao của tiếng còi hú phát ra từ xe cứu thương sẽ cao hơn khi xe chuyển động lại gần người quan sát và thấp hơn khi xe chuyển động ra xa người quan sát Độ cao này thay đổi ngay tại thời điểm xe đi ngang qua người quan sát Hiện tượng cũng xảy ra tương tự khi người quan sát chuyển động tương đối so với nguồn âm (đang đứng yên)

sẽ nghe được tín hiệu đã chuyển đổi tần số

Để hiểu rõ hiệu ứng này, trước tiên khảo sát trường hợp nguồn âm A và người quan sát B đều đứng yên trong suốt quá trình truyền sóng (Hình 1)

Các mặt sóng cầu, phát ra từ nguồn âm A với tần số f, cách nhau một khoảng 0 Các mặt sóng này tiến lại gần người quan sát B với vận tốc truyền âm:

f

Hiện tượng này sẽ thay đổi khi nguồn âm A tiến lại gần người quan sát B với vận tốc

v trong khi người quan sát đứng yên suốt quá trình truyền sóng Trong một chu kỳ

Trang 7

v T

1 c

Trang 8

trong suốt quá trình với vận tốc c, nhưng các mặt sóng này đến người quan sát cách nhau một khoảng thời gian:

Phương trình (6) và (8) cho phép ta tính được độ lệch tần số trong trường hợp vận tốc

v cao Trong trường hợp vận tốc v thấp độ lệch tần số sẽ mang giá trị âm Giá trị độ lệch tần số được xác định bởi:

Trong thực hành nghiên cứu, hai bộ chuyển đổi tín hiệu (điện – siêu âm) giống nhau

thực hiện nhiệm vụ của máy phát (nguồn sóng siêu âm) và máy thu (nhận sóng siêu âm) phụ thuộc vào sự kết nối của chúng (thuận hoặc nghịch) Bộ phận phát sóng siêu

âm được gắn với một xe đẩy được điều khiển bằng điện, bộ còn lại được gắn cố định vào một thanh thẳng đứng Tần số của tín hiệu thu được bằng máy đếm kỹ thuật số có

độ phân giải cao Vận tốc của nguồn phát sóng siêu âm chuyển động được xác định bằng công thức:

sv

Trang 9

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Xây dựng bài thực tập cho sinh viên bao gồm: Lựa chọn, mua sắm, lắp đặt, bố trí,

hiệu chỉnh thiết bị và viết giáo trình thực tập với mục tiêu cần đạt được:

- Đo độ lệch tần số theo vận tốc của nguồn sóng siêu âm bằng máy thu đứng yên

- Kiểm chứng (khẳng định) sự phụ thuộc giữa độ lệch tần số f và vận tốc của nguồn sóng siêu âm

- Xác định tốc độ truyền âm trong không khí (c)

- Xác định tốc độ của nguồn sóng siêu âm (hoặc nguồn phản xạ sóng siêu âm)

để áp dụng trong siêu âm Doppler

Trang 10

3 ĐỐI TƯỢNG - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

Đổi mới phương pháp, cải tiến phương tiện giảng dạy, xây dựng bài thực tập mới

3.2 Vật liệu, máy móc thiết bị

- Đầu thu phát sóng điện từ cao tần

- Thiết bị chuyển đổi sóng điện từ sang sóng siêu âm

- Thiết bị khuếch đại sóng

- Thiết bị di động

- Thiết bị đo ghi tần số, biên độ sóng

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là lý thuyết kết hợp đo đạc, so sánh, đánh giá trong đó đo đạc, so sánh đánh giá là chủ yếu

3.4 Các kỹ thuật đo đạc, so sánh, đánh giá

Đo đạc số liệu trực tiếp, so sánh đánh giá bằng bảng, biểu, đồ thị

Trang 11

- Nối các thanh ray kim loại vào nhau và chặn 2 đầu đường ray

- Cố định đầu phát sóng siêu âm (c) bằng băng keo trên xe điện và đặt khớp vào

đường ray

- Đặt vòng (d) ở độ cao 47 cm

- Nối dây cáp từ nguồn phát sóng siêu âm qua vòng (d) đến đầu ra (e) của máy

phát tín hiệu điện 40 kHz

- Cố định đầu thu sóng siêu âm (f) vào giá đỡ và nối dây từ đầu thu và đầu vào

(g) của máy khuyếch đại tín hiệu AC và chỉnh cho hai đầu phát và thu sóng

siêu âm đối diện nhau và ở cùng độ cao

- Để tránh nhiễu sóng siêu âm từ đường ray, bao các đầu thu phát sóng siêu âm bằng giấy bìa xung quanh khoảng 10 cm

Trang 12

Hiệu chỉnh tần số cộng hưởng:

- Đặt máy phát tín hiệu điện từ 40 kHz ở chế độ liên tục (continuous) và máy khuyếch đại tín hiệu AC ở “ ~”

- Bật hai máy trên và chờ 15 phút để ổn định máy

- Cắm dây tín hiệu ra của máy khuyếch đại tín hiệu AC vào máy hiện sóng (dao động ký, Hình 3) như sơ đồ thí nghiệm ở Hình 2

- Quan sát tín hiệu ra trên máy hiện sóng với cả 2 đầu phát (thu) sóng siêu âm

- Chỉnh tần số của máy phát tín hiệu điện từ 40 kHz sao cho tín hiệu ra có biên

độ lớn nhất (tần số cộng hưởng)

- Thay đổi biên độ tín hiệu đầu ra bằng cách vặn nút (j) của máy hiện sóng ở giá trị 0,5V

- Vặn nút (i) của máy hiện sóng để cài đặt Time/div ở giá trị 0,1 ms

- Ở khoảng cách lớn nhất của xe điện đặt biên độ của tín hiệu đầu ra khoảng 0,7

V bằng cách chỉnh máy khuyếch đại tín hiệu AC

Hình 3 Dao động ký

Trang 13

Đo tần số thu bằng máy đếm kỹ thuật số có độ phân giải cao:

- Bật máy đếm kỹ thuật số, cắm tín hiệu ra của máy khuyếch đại tín hiệu AC vào đầu vào của kênh CH1, bật kênh CH1

- Nhấn nút Source để tín hiệu hiện lên màn hình ở kênh CH1

- Nhấn nút Tần số (Frequency) và chọn đơn vị Hz

- Đặt đầu vào B ở 0,7V bằng cách xoay vôn kế (h)

Trang 14

4.1.2 Tiến hành đo sự thay đổi của tần số khi nguồn siêu âm chuyển động

- Đặt vận tốc v của xe điện bằng nút (a)

- Bật mô-tơ xe bằng nút ba nấc (b) Để xác định vận tốc đo thời gian Δt mà xe

điện đi được quãng đường 1m và ghi lại

- Tắt mô-tơ xe, khởi động đo tần số bằng nút Start Stop của máy đếm kỹ thuật

số f 0, và dừng chúng cũng bằng nút đó

- Bật nút (b), đo tần số f khi xe điện chuyển động sang phải khi biết vận tốc xe

và ghi lại tần số đó

- Tắt mô-tơ xe và xác định lại tần số thử f 0

- Bật nút (b) và đo tần số f khi xe chuyển động sang trái với cùng vận tốc

- Lặp lại phép đo tần số với xe chuyển động sang phải và sang trái

- Đặt vận tốc xe với các giá trị nhỏ hơn và lặp lại các phép đo trên

Hình 4 Xe điện và đồng hồ bấm giây

Trang 15

Trái Phải Trái

Trang 16

4.3 Xác định sự thay đổi của tần số

Từ Bảng 1 tính ra vận tốc của xe và sự thay đổi tần số phát và thu rồi ghi vào bảng 2

Bảng 2: Sự thay đổi tần số Δf = f – f 0 như là hàm của vận tốc v của xe

Trang 17

4.4 Vẽ đồ thị phụ thuộc giữa sự thay đổi tần số vào vận tốc xe

Từ kết quả bảng 2 vẽ đồ thị phụ thuộc sự thay đổi tần số Δf vào vận tốc xe v

Hình 4 Đồ thị phụ thuộc sự thay đổi tần số vào vận tốc xe

4.5 Xác định vận tốc của âm trong không khí

Độ dốc của đường thẳng trong đồ thị ở Hình 4 chính là tỷ số f 0 /c và từ tỷ số này, biết

f 0 ta có thể tính được vận tốc của âm c trong không khí

v (m/s)

Δf (Hz)

Trang 18

4.6 Kết quả tính toán

Trường Đại học Y Dược TP.HCM

Khoa Khoa học Cơ bản

Bộ môn Vật lý - Lý sinh

XỬ LÝ SỐ LIỆU BÀI THỰC TÂP:

HIỆU ỨNG DOPPLER VỚI SÓNG

SIÊU ÂM

s (m)=1.0

Điều chỉnh vận

tốc

t (s)

Hướng xe chạy so với máy thu

Vận tốc

xe v(m/s)

f0 (Hz) f (Hz) f(Hz) v0(m/s)

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

f(Hz)

-0.110 -13.0 -0.286 -33.5 -0.333 -39.5 0.357 41.0 0.333 38.0 0.105 12.0

-50.0 -40.0 -30.0 -20.0 -10.0 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0

v (m/s)

 f (Hz)

Trang 19

THỨ 2 - CA 1 - 28/11/2016 YCQ

S=1m

Điều chỉnh vận tốc

lần 1

2.8 gần 0.357 42171.0 42215.2 44.20 340.75 2.9 xa -0.345 42228.8 42184.4 -44.40 327.97 2.8 gần 0.357 42185.5 42229.8 44.30 340.10 2.8 xa -0.357 42189.1 42144.7 -44.40 339.36 Điều

chỉnh vận tốc

lần 2

4.9 gần 0.204 42221.8 42247.0 25.20 341.93 4.8 xa -0.208 42222.3 42197.5 -24.80 354.69 4.8 gần 0.208 42230.2 42254.5 24.30 362.06 4.9 xa -0.204 42203.3 42178.2 -25.10 343.14 Điều

chỉnh vận tốc

lần 3

6.9 gần 0.145 42222.2 42225.2 3.00 2039.72 6.7 xa -0.149 42243.1 42242.5 -0.60 10508.23 6.8 gần 0.147 42252.8 42253.7 0.90 6904.05 6.8 xa -0.147 42257.2 42256.8 -0.40 15535.74

f(Hz)

0.357 44.20 -0.345 -44.40 0.357 44.30 -0.357 -44.40 0.204 25.20 -0.208 -24.80 0.208 24.30 -0.204 -25.10

-60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00

Df(Hz)

Df(Hz) Linear (Df(Hz))

Trang 20

THỨ 2 - CA 2 - 28/11/2016 YCQ

S=1.0m

tốc

t (s)

Vận tốc

xe v(m/s)

f0 (Hz) f (Hz) f(Hz) v0(m/s)

Điều chỉnh vận

tốc lần 1

3.4 gần 0.294 42170.3 42171.4 1.10 11275.48 3.4 xa -0.294 42164.5 42164.2 -0.30 41337.75 3.4 gần 0.294 42167.6 42200.8 33.20 373.56 3.4 xa -0.294 42168.4 42152.6 -15.80 784.97 Điều

chỉnh vận

tốc lần 2

3.3 gần 0.303 42143.6 42146.1 2.50 5108.32 3.3 xa -0.303 42153.4 42126.6 -26.80 476.63 3.3 gần 0.303 41100.0 42163.0 1063.00 11.72 3.3 xa -0.303 42137.8 42111.3 -26.50 481.85 Điều

chỉnh vận

tốc lần 3

4.0 gần 0.250 42142.1 42151.3 9.20 1145.17 4.0 xa -0.250 42150.2 42145.2 -5.00 2107.51 4.0 gần 0.250 42141.6 42160.1 18.50 569.48 4.0 xa -0.250 42160.0 42139.7 -20.30 519.21

Vận tốc

xe v(m/s) f(Hz)

0.294 1.10 -0.294 -0.30 0.294 33.20 -0.294 -15.80 0.303 2.50 -0.303 -26.80 0.303 1063.00 -0.303 -26.50 0.250 9.20 -0.250 -5.00

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

Df(Hz)

Df(Hz) Linear (Df(Hz)) Linear (Df(Hz))

Trang 21

vận tốc lần

gần

0.417 42222.0 42226.0 4.00 4398.13 2.4 xa -0.417 42230.0 42228.0 -2.00 8797.92 2.4 gần 0.417 42238.0 42240.0 2.00 8799.58 2.4 xa -0.417 42243.0 42240.0 -3.00 5867.08

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.385 2.00 -0.385 -12.00 0.385 4.00 -0.385 -5.00 0.417 4.00 -0.417 -2.00 0.417 2.00 -0.417 -3.00

-14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 2.00 4.00 6.00

Df(Hz)

Trang 22

THỨ 3 - CA 2 - 29/11/2016 YCQ

S=0.5m

tốc

t (s)

Vận tốc

xe v(m/s) f0 (Hz) f (Hz) f(Hz) v0(m/s)

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

2.1 gần 0.238 41953.0 41975.8 22.80 438.11 2.4 xa -0.208 41954.5 41925.3 -29.20 299.33 2.1 gần 0.238 41952.5 41978.0 25.50 391.71 2.3 xa -0.217 41952.0 41931.0 -21.00 434.29 Điều chỉnh

vận tốc lần 2

1.3 gần 0.385 41950.0 41990.3 40.30 400.36 1.4 xa -0.357 41954.0 41905.8 -48.20 310.86 1.4 gần 0.357 41952.0 41995.3 43.30 346.02 1.5 xa -0.333 41953.0 41910.7 -42.30 330.60

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.238 22.80 -0.208 -29.20 0.238 25.50 -0.217 -21.00 0.385 40.30 -0.357 -48.20 0.357 43.30 -0.333 -42.30

-60.00 -40.00 -20.00 0.00 20.00 40.00 60.00

Df(Hz)

Trang 23

THỨ 4 - CA 1- 30/11/2016 YCQ

S= 1.0m

tốc

t (s)

Vận tốc

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

vận tốc lần 2

2.8 gần 0.357 42098.0 42143.0 45.00 334.11 2.4 xa -0.417 42098.0 42029.0 -69.00 254.21 3.1 gần 0.323 42090.0 42097.0 7.00 1939.63 2.7 xa -0.370 42088.0 42045.0 -43.00 362.52

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.400 50.00 -0.385 -45.00 0.417 52.00 -0.400 -47.00 0.357 45.00 -0.417 -69.00 0.323 7.00 -0.370 -43.00

-200.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

Df(Hz)

Trang 24

THỨ 4 - CA 2 - 30/11/2016 YCQ

S=1.0m

tốc

t (s)

Vận tốc

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

vận tốc lần 2

vận tốc lần 3

6.2 gần 0.161 42015.0 42035.0 20.00 338.83 6.0 xa -0.167 42013.0 41991.0 -22.00 318.28 6.1 gần 0.164 41997.0 42018.0 21.00 327.85 7.0 xa -0.143 41999.0 41979.0 -20.00 299.99

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.294 19.00 -0.256 -27.00 0.303 28.00 -0.270 -27.00 0.357 53.00 -0.333 -2.00 0.357 56.00 -0.333 -19.00 0.161 20.00 -0.167 -22.00 0.164 21.00

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

Df(Hz)

Trang 25

THỨ 5 - CA 1- 31/11/2016 YCQ

S=0.5m

tốc

t (s)

Vận tốc

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

vận tốc lần 2

1.6 gần 0.313 42092.9 42173.1 80.20 164.02 1.6 xa -0.313 42094.3 42052.3 -42.00 313.20 1.5 gần 0.333 42094.1 42132.8 38.70 362.57 1.6 xa -0.313 42095.8 42056.5 -39.30 334.73

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.185 22.20 -0.167 -18.10 0.143 15.60 -0.132 -5.40 0.313 80.20 -0.313 -42.00 0.333 38.70 -0.313 -39.30

-200.00 0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

Df(Hz)

Trang 26

THỨ 5 - CA 2 - 31/11/2016 YCQ

S=0.5m

tốc

t (s)

Vận tốc

Điều chỉnh

vận tốc lần 1

vận tốc lần 2

vận tốc lần 3

3.2 gần 0.156 42015.0 42035.0 20.00 328.24 3.1 xa -0.161 42013.0 41991.0 -22.00 308.01 3.1 gần 0.161 41997.0 42018.0 21.00 322.56 3.6 xa -0.139 41999.0 41979.0 -20.00 291.66

Vận tốc xe

v(m/s) f(Hz)

0.313 19.00 -0.263 -27.00 0.294 28.00 -0.313 -27.00 0.143 53.00 -0.132 -2.00 0.143 56.00 -0.128 -19.00 0.156 20.00 -0.161 -22.00 0.161 21.00

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00 1200.00

Df(Hz)

Định dạng
Số trang	31
Dung lượng	2,22 MB

Tài liệu tham khảo	Loại	Chi tiết
[1] Bộ môn Vật lý – ĐH Y- Dược Tp.HCM. 2017. Giáo trình Vật lý – Lý sinh	Khác
[2] Bộ môn Vật lý – ĐH Y- Dược Tp.HCM. 2017. Giáo trình thực tập Vật lý – Lý sinh.Tài liệu khác	Khác
[1] David Halliday. 1993. Fundamentals of physics. Hànội. NXBGD	Khác
[2] Lương duyên Bình. 1999. Vật lý đại cương tập I,II,III. Hànội. NXBGD	Khác
[3] Xaveliev. 1998. Vật lý đại cương. Hànội. NXB.ĐH-THCN	Khác