BÀI 3. HIỆU ỨNG DOPPLER SÓNG SIÊU ÂM DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Mục đích  Đo sự thay đổi tần số âm thanh f khi nguồn thu đứng yên, nguồn phát chuyển động.  Khẳng định sự phụ thuộc tuyến tính giữa độ biến thiên Δf vào vận tốc  Xác định vận tốc truyền âm trong không khí. I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hiệu ứng Doppler âm học có thể được quan sát hằng ngày trong cuộc sống. Ví dụ, độ cao của tiếng còi xe cứu thương thì cao hơn khi xe cứu thương đó tiến đến người quan sát và thấp hơn khi đi qua. Điều này cũng xảy ra khi người quan sát di chuyển đến nguồn âm đang đứng yên, và nghe thấy tín hiệu tần số sóng thay đổi. Để hiểu thêm về hiệu ứng này, ta xem xét: + Trường hợp đầu tiên: Khi nguồn âm A và người quan sát B đều đang đứng yên (xem hình bên). Các đỉnh sóng được phát ra từ nguồn âm với tần số f0 và khoảng cách giữa chúng là λ0 (bước sóng). Chúng tiến gần đến người quan sát với vận tốc là: c = f0 . λ0 (1) Và 2 đỉnh kế tiếp lần lượt đến người quan sát sau 1 khoảng thời gian: 1 (2) f0 + Trường hợp thứ hai: Khi nguồn âm A tiến đến người quan sát B (đứng yên) với vận tốc v. Trong 1 chu kỳ dao động T0 , nguồn âm di chuyển được khoảng cách: T0 = s = v. T0 (3) cho nên khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng kế tiếp bằng: λ = λ0 − v. T0 (4) các đỉnh sóng lan truyền với vận tốc c và 2 đỉnh kế tiếp tới người quan sát sau 1 khoảng thời gian là: T= Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM v λ = T0 (1 − ) c c (5) 1 do đó, đối với người quan sát, tần số phát ra từ nguồn âm A được ghi nhận bằng: 1 f0 (6) = T 1−v c + Trường hợp thứ 3: Nếu người quan sát B tiến đến nguồn âm A (đứng yên) với vận tốc là v, khoảng cách giữa các đỉnh sóng là λ0 . Sóng âm truyền trong môi trường với vận tốc c, nhưng 2 đỉnh kế tiếp lần lượt đến người quan sát B với khoảng thời gian chênh lệch bằng: f= T0 λ0 (7) = c+v 1+v c Vì vậy, tần số của nguồn âm được người quan sát di chuyển ghi nhận bằng: T= 1 v (8) = f0 (1 + ) T c Các phương trình (6) và (8) cho ta thấy sự khác biệt của các tần số (do B cảm nhận) trong trường hợp vận tốc v lớn (nhưng vẫn nhỏ hơn c). Tuy nhiên, khi vận tốc v nhỏ, sự khác biệt này là không đáng kể. Sự dịch chuyển tần số khi đó tỷ lệ với vận tốc dịch chuyển giữa người quan sát và nguồn âm: v (9) Δf = f − f0 = f0 c Trong thí nghiệm này, có 2 cảm biến như nhau được sử dụng như máy truyền âm (nguồn âm) và máy thu âm (người quan sát). Một cảm biến được gắn vào 1 xe chạy, cái còn đứng yên. Tần số của tín hiệu quan sát được đo từ bộ đếm. f= Để xác định vận tốc: Δs (10) Δt của cảm biến đang di chuyển, thời gian Δt (khi xe chạy được đoạn Δs cho trước) được đo bởi 1 đồng hồ bấm giây. v= II. DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM STT 1 2 3 4 5 6 7 Tên thiết bị Bộ thu phát sóng siêu âm, 40 kHz Bộ khuếch đại AC Máy phát sóng, 40 kHz Dây nối chống giật 8 m Jack cắm chuyển đổi, màu đen (bộ 6 cái) Pin (bộ 4 cái) Xe lăn chạy điện Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM Mã số 416 000 416015 416014 501031 501644 68544ET4 33707 SL 2 1 1 1 1 1 1 2 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 Ray kim loại cho xe lăn, 1 m Khớp nối ray Chân đỡ ray (cặp), dài 5cm Bộ gá ray (bộ 5 cái) Phụ kiện Bộ đếm Counter S Dao động ký 2 kênh 3002 Cáp BNC/4 mm Đồng hồ bấm giây I, 30s/0,1s Chân đế chữ V, 20 cm Chân đế tròn Thanh kim loại dài 25 cm, ĐK 12 mm Thanh kim loại dài 75 cm, ĐK 12 mm Kẹp đa năng Giá đỡ có kẹp, hình tròn, ĐK 70 mm Cáp nối xanh đỏ, 100 cm 46081 46085 46088 46095ET5 416031 575471 575214 57524 LDS00001 30002 30011 30041 30043 30101 608100 50146 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 III. TRÌNH TỰ THÍ NGHIỆM A. Lắp đặt thí nghiệm Hình 3.2. Sơ đồ thực tế mạch điện  Bật bộ đếm 575471 lên, nối tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại AC thông qua 2 dây xanh đỏ vào 2 chốt ở cổng E của bộ đếm.  Nối đầu thu tín hiệu vào 2 chốt AC trên bộ khuếch đại 416015.  Nối đầu phát tín hiệu vào máy phát sóng 416014 vào vị trí khoanh tròn. Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM 3  Để đầu thu và đầu phát sát nhau.  Bật công tắc đầu phát lên, chọn chế độ xung liên tục .  Bật bộ khuếch đại lên, đặt ở chế độ xung vuông  Bật bộ đếm lên, ấn nút MODE sang chế độ fE để đo tần số.  Ta quan sát thấy bộ đếm hiển thị đúng giá trị f0 của máy phát (~40140Hz).  Di chuyển bằng tay xe lăn một cách từ từ xa dần đầu phát, vừa di chuyển vừa quan sát bộ đếm xem tần số có thay đổi không. Đến một vị trí nào đó mà tần số thay đổi nhiều thì có nghĩa là hai đầu thu-phát không bắt được tín hiệu của nhau ta phải làm như sau: Vặn núm khuếch đại (khoanh tròn dưới đây) tăng lên, nếu chưa cải thiện thì ta phải điều chỉnh đầu phát sao cho 2 đầu thu phát thẳng hàng. Điều chỉnh sao cho trên toàn ray tần số không thay đổi. 1. Điều chỉnh tần số cộng hưởng (đặt f0 ~ 40140Hz ± 10Hz)  Điều chỉnh máy phát 40kHz ở chế độ “liên tục” và bộ khuếch đại AC ở chế độ “~”.  Bật bộ đếm Counter S lên, ấn Mode chọn chế độ tần số f.  Bật 2 thiết bị lên, đợi 15 phút cho đến khi máy hoạt động ổn định.  Tín hiệu đầu ra của bộ khuếch đại AC nối với dao động ký thông qua dây cáp đo BNC/4mm.  Quan sát tín hiệu đầu ra bằng dao động ký và điều chỉnh sự thẳng hàng của 2 cảm biến sóng siêu âm.  Điều chỉnh tần số tại máy phát 40kHz sao cho tín hiệu đầu ra có biên độ lớn nhất (tần số cộng hưởng). Ta nên thí nghiệm ở tần số này để tín hiệu thu được là cực đại.  Tại vị trí xa nhất của xe lăn đặt biên độ của tín hiệu đầu ra khoảng 0,7V bằng cách điều chỉnh độ khuếch đại của bộ khuếch đại AC. 2. Đo tần số của cảm biến sóng siêu âm  Cắm trực tiếp 2 chốt được khoanh tròn của máy phát tần số vào 2 chốt ở cổng E của bộ đếm.  Bật bộ đếm lên, ấn MODE để chuyển sang chế độ đo fE để đo tần số.  Bật máy phát lên, gạt công tắc sang chế độ liên tục . Vặn núm tần số đến khi nào đạt được f0 như Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM 4 mong muốn thì dừng lại, tắt nguồn của cả máy phát lẫn bộ đếm, tháo dây nối ra, không vặn núm tần số của máy phát trong suốt quá trình thí nghiệm B. TIẾN HÀNH ĐO 1. Đo sự thay đổi của tần số khi nguồn sóng siêu âm di chuyển - Điều chỉnh vận tốc v của xe lăn bằng nút điều chỉnh điện thế (a) trên xe - Bật nguồn xe lăn lên bằng công tắc (b)(lưu ý hướng xe) - Để xác định vận tốc v, tính thời gian Δt mà xe lăn đi hết khoảng cách Δs định trước (ví dụ bằng 1m – bấm thời gian thông qua quan sát vị trí xe và các mốc trên thước đặt ngay dưới ray) , và ghi chép lại (vào bảng 1). Lưu ý: Khi xe di chuyển, ta dong theo dây nối trên xe tránh để dây làm cản trở sự chuyển động của xe. - Tắt nguồn xe lăn, bắt đầu đo tần số sóng âm f0 bằng bộ đếm (thông qua nhấn nút Start Stop).. - Bật nguồn xe lăn lên, đo tần số f khi xe di chuyển “sang bên phải” với vận tốc v đã biết trước, và ghi lại tần số đo. - Tắt nguồn xe lăn, và xác định tần số f0 lần nữa. - Ấn nút nguồn cho xe chuyển động sang trái, đo tần số f và ghi lại. - Lặp lại phép đo tần số với các trường hợp xe di chuyển “sang phải” và “sang trái” như trên. - Chú ý: Nếu ta cảm nhận thấy giá trị đo không chính xác (thay đổi hàng trăm Hz), ta nên lặp lại thí nghiệm. - Đặt vận tốc của xe lăn ở hai giá trị khác và lặp lại phép đo như trên - Các số liệu được ghi vào bảng 1 2. Đánh giá và kết quả thí nghiệm a. Xác định sự thay đổi của tần số - Bằng phương trình (9) ta lập bảng dữ liệu theo mẫu bảng 2 b. Vẽ đồ thị giữa sự thay đổi của tần số và vận tốc c. Tính vận tốc của âm thanh trong không khí Từ độ dốc của đồ thị, ta tính được vận tốc sóng âm từ phương trình (9) Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM 5 BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 3. HIỆU ỨNG DOPPLER SÓNG SIÊU ÂM DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Xác nhận của Thầy (Cô) giáo Học viện Kỹ thuật Mật Mã Lớp:………………Nhóm………Ca……………… Họ tên:……………………………………………….. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM …………………………………………………………………………………………….…………………………… …………………………………………………………………………………………….…………………………… …………………………………………………………………………………………….…………………………… …………………………………………………………………………………………….…………………………… …………………………………………………………………………………………….…………………………… KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Bảng 1: Ghi lại các giá trị đo (s = … … m) Δt (s) Chiều Phải Trái Phải Trái Phải Trái Phải Trái Phải Trái Phải Trái Phải Trái Phải Trái Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM f0 (Hz) f (Hz) 6 Bảng 2 STT 1 2 3 4 5 6 7 8 v (𝐦𝐬−𝟏 ) Δf (Hz) STT 9 10 11 12 13 14 15 16 v (𝐦𝐬−𝟏 ) Δf (Hz) Đồ thị v = g(Δf) Tính vận tốc âm c: v = c f0 Δf → Hệ số góc α = Bộ môn Lý – Khoa Cơ Bản – HVKTMM c f0 → c = α. f0 7