超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究_关_晖_孙学金_熊_英_卫克晶_杨启东
文章编号：１０００?０８８７（２０１４）１２?１３６３?１０
?应用数学和力学编委会，ＩＳＳＮ１０００?０８８７超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究?
关一晖１，一孙学金１，一熊一英２，一卫克晶１，一杨启东３
（１．解放军理工大学气象海洋学院，南京２１１１０１；２．工业装备结构分析国家重点实验室（大连理工大学），辽宁大连１１６０２４；３．上海气象仪器厂有限公司，上海２０１２０９）（我刊编委吴锤结推荐）
摘要：一超声波测速仪是一种利用超声波发射接收装置，通过发射接收时间来计算来流速度的一种仪器装置．目前国内许多研究都关注在如何消除测速仪的测量误差上，对于模型结构对测量风场的影响研究较少．为了考察测速仪的测量精度，该研究以模型结构对测量区域风速的影响作为关注的重点，采用计算流体力学方法模拟了从低速到高速的不同来流风速下的绕流流场，计算出位于测速仪中心区域的速度分布和不同截面上的平均速度，以判断测速仪模型结构对中心测量区域风速的影响程度．该研究结果表明在测速探头平面内测量到的速度值，无论在低速和高速时均最为准确．采用计算流体力学数值模拟方法可为今后的测速仪模型设计和改造提供准确的依据．
关一键一词：一超声波测速仪；一计算流体力学数值模拟；一有限体积法
中图分类号：一Ｏ３５；ＴＨ８２４一一一文献标志码：一Ａ
ｄｏｉ：１０．３８７９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００?０８８７．２０１４．１２．００８
引一一言
风速是气象学中的基本要素之一，气象学的实验应用和理论研究都离不开风速的测量，对风速测量的精度要求也更高［１］．在测量风速的各种仪器中，超声波测速仪越来越广泛地得到使用．由于它很好地克服了机械式风速风向仪固有的缺陷，因而能全天候地二长久地正常工作，它将是机械式风速仪的强有力替代品［２］．超声波测速仪应用便利，测量精确，在很多领域都能灵活运用，广泛应用于城市气象监测二环境监测二风力发电二桥梁隧道二航空机场二航海船舶等行业中．
超声波测速仪是一种利用超声波发射接收装置，通过发射接收时间来计算来流速度的一种仪器装置．这种测速仪测量风速时的主要误差来源于：１）模型结构对测量区域风场的影响；２）探头对路径和时间的测量误差．目前国内许多研究都关注在如何消除测量误差上，如曹可劲等［３］从传播时间和声强两个方面描述了超声波风速仪的基本原理，并在不同风速和相对风
３６３１一应用数学和力学，第３５卷第１２期一２０１４年１２月１５日出版一一一一一一一一一一一一一一一ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃｓ一一一Ｖｏｌ．３５，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．１５，２０１４?收稿日期：一２０１４?０９?２５；修订日期：一２０１４?１０?０９
作者简介：一关晖（１９７０ ），女，满族，河南开封人，副教授，博士后（通讯作者．Ｅ?ｍａｉｌ：ｇｕａｎｈｕｉ７０＠１６３．ｃｏｍ）．网络出版时间：2014-12-10 09:45网络出版地址：
https://www.wendangku.net/doc/2411656924.html,/kcms/detail/50.1060.O3.20141210.0945.011.html
向的条件下进行了实验，取得了和理论模型一致的结果，为研制超声波风速仪提供了理论基础．黄颖辉［４］研究了基于数字信号处理器（ＤＳＰ）的超声风速测量，通过超声波在３坐标轴来回的传播时间与空气流速间的关系，求算出三维风速与风向．丁向辉等［５］研究了基于现场可编程门阵列（ＦＰＧＡ）和ＤＳＰ
的硬件系统架构和基于包络重心法的信号处理算法，研制了体积小二反应速度快二抗干扰能力强和分辨率高的超声波风向风速测量系统．李增志等［６］分析了其测量误差的主要来源，进而提出了一种快速的误差检定方法，理论上只需两次测量即可完成对风速温度的误差检定．
目前国内对于模型结构对测量风场的影响研究较少，测量区域内的风速，也就是测速仪测量的速度和来流速度之间的误差是本研究关注的重点．本文采用研制的一种结构较简单而又能可靠地工作的超声波测速仪（如图１），可以测定平面上任意正交方向水平风速的分量．该仪器对模型结构设计要求较高，要求模型结构对来流影响不要太大，以提高测速仪的测量精度．
为了定量化描述模型对风场的影响程度，同时也为给模型优化提供一个考核参数，根据测速仪的测速原理，本研究采用计算流体力学方法数值模拟了从低速到高速的不同来流风速下的绕流流场，将超声波传播路径上的速度平均值作为考核参数．计算出位于测速仪中心区域的速度分布和不同截面上的平均速度，以判断测速仪模型结构对中心区域风速的影响程度，并为以后的模型设计改造提供理论依据．
图１一测速仪三维模型
Ｆｉｇ．１一Ｔｈｅ３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ
１一软件简介及数值算法
在本研究中，我们在ＯｐｅｎＦＯＡＭ［７］（ｏｐｅｎｆｉｅｌｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）开源软件的基础
上进行进一步开发，实现了高Ｒｅｙｎｏｌｄｓ（雷诺）数测速仪绕流的数值模拟，为深入了解测速仪流场并进行模型优化提供数值验证依据．ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件包实现的是张量场的基础操作和运算，其本质是一个主要应用于计算连续介质力学的Ｃ＋＋类库［８］，采用类似于人们日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程的有限体积离散化，包含大量求解器，研究人员也可根据自己需要编写求解器．
１．１一流体流动控制方程
为建立数学模型，对流体运动做以下假设：连续性介质；不可压缩的流体；流体内部压力各向同性．
质量守恒方程也称作连续性方程，表达式如下：
一一ｄｉｖｕ＝０．（１）不可压缩流体运动的动量守恒方程也称Ｎａｖｉｅｒ?Ｓｔｏｋｅｓ方程（Ｎ?Ｓ方程），表达式如下：４６３１关一晖一一一孙学金一一一熊一英一一一卫克晶一一一杨启东
一一
ρ?ｕ?ｔ＋（ｕ四?）ｕ?è???÷＝ρＦｇ－ｇｒａｄｐ＋μ?２ｕ．（２）这里ｕ，Ｆｇ，ｐ，μ分别代表流体的速度矢量二单位质量流体上的质量力矢量二压力和粘性系数．１．２一数值算法１．２．１一方程离散
采用有限体积法和ＣｒａｎｋＮｉｃｈｏｌｓｏｎ格式对偏微分方程进行离散［９?１０］．将计算域离散成单元体之后，所有物理量离散分布在各单元体中心上，方程的离散即是对微分形式的控制方程在各离散单元体上进行时间空间上的积分，以保证质量和动量在单元体上的守恒，然后将单元体上的积分方程转化为用单元体中心上量表示的代数方程，最后求解代数方程即可得到数值解［９］．
以非定常对流扩散输运方程为例：
一一?ρ??ｔ＋?四（ρｕ?）－?四（ρν???）＝Ｓ?（?），（３）
其中，?为具有输运性质的任意物理量，ρ为流体密度，ｕ为流场流速，ν?为扩散系数，Ｓ?为源项．在［ｔ，ｔ＋Δｔ］时间段内，对单元体Ｐ做时间空间积分，将上面的微分方程化为如下的积分方程：
一一
?ｔ＋Δｔｔ
??ｔ?ＶＰρ?ｄＶ＋?ＶＰ?四（ρｕ?）ｄＶ－?ＶＰ?四（ρν???）ｄＶé?êêù?úúｄｔ＝一一一一?ｔ＋Δｔｔ(?ＶＰＳ?（?）ｄＶ)ｄｔ．（４）对于在极小的时间段和单元体上满足的连续量的积分项，要进一步用其离散点值来代数表示，需要假定物理量在离散的时间空间片段上的分布规律．如对任意空间函数?（ｘ）或时间函数?（ｔ），假定其在单元体Ｐ上满足：
一一?（ｘ）＝?Ｐ＋（ｘ－ｘＰ）四（??）Ｐ，?（ｔ＋Δｔ）＝?ｔ＋Δｔ???ｔ?è???
÷ｔ，ì?í????（５）其中，Ｐ点是单元体Ｖ的体中心，?Ｐ表示?（ｘ）在Ｐ点处的值，?ｔ表示ｔ时刻?（ｔ）的值．根据Ｔａｙｌｏｒ（泰勒）级数展开得到的截断误差是时间空间的二阶，假定物理变量在离散片段上一般都满足上述关系，即物理量在时间空间域上呈局部线性分布，因此将其统称为二阶有限体积离散框架．
１．２．２一非线性和速度压力耦合对于通常含有关于质量和动量守恒的Ｎ?Ｓ方程系统，要求解的速度和压力同时出现在动量方程中，反映了速度和压力的强耦合关系，此外动量方程中的对流项还会引起非线性效应．因此，要想将Ｎ?Ｓ方程体系转化为只含速度场ｕ或压力场ｐ的线性代数方程组，必须进行对流项的线性化和速度压力形式上的解耦．
本文采用Ｉｓｓａ在１９８４年提出的ＰＩＳＯ（ｐｒｅｓｓｕｒｅｉｍｐｌｉｃｉｔｗｉｔｈｓｐｌｉｔｔｉｎｇｏｆｏｐｅｒａｔｏｒｓ）算法．总的原则是求出的速度压力场要同时满足质量和动量方程，因此关键是把原质量和动量方程转化为方便求解的速度方程和压力方程，并通过两方程之间的反复迭代求解来校正速度压力场，以最终得到同时满足质量和动量方程的正确场值．
５
６３１超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究
将连续方程离散成
一一
?Ｖ?四ｕｄＶ＝eｆＳｆ四ｕｆ＝０，（６）
将动量方程写成如下半离散形式：一一
ａｐｕｐ＝Ｈ（ｕ）－?ｐ，
（７）其中一一Ｈ（ｕ）＝eＮａｎｕｎ＋ｕ０Δｔ，（８）下标Ｎ表示单元体Ｐ的邻近单元，ｆ表示单元体Ｐ的面，上标０表示上一时刻，由式（７）得出面流量，代入连续方程，就得到压力方程．
控制方程最后的离散形式可写成：
速度方程
一一
ａｐｕｐ＝Ｈ（ｕ）－eｆＳ（ｐ）ｆ；（９）压力方程
一一eｆＳｆ四１ａｐ?è???÷ｆ
（?ｐ）ｆé?êêù?úú＝eｆＳｆ四Ｈ（ｕ）ａｐ?è???÷ｆ，（１０）注意，其中用eｆＳ（ｐ）ｆ来表示式（７）中的?ｐ项的离散形式．ＰＩＳＯ算法由一次隐式动量预测和若干次的压力二速度修正组成．在隐式动量预测中，速度方程中的系数ａＮ，ａｐ由上一时刻速度场得到以使得对流项线性化，压力场也使用上一时刻的．由此，新的速度场可通过求解矩阵方程得到．在压力二速度修正时，由动量预测得到的速度场或最新速度场得到压力方程右端项，从而计算出左端的压力场，用得到的压力场修正速度场并重新计算流量．
１．３一求解流程
整个计算流程为
１）建立初始物理场；２）计算Ｃｏｕｒａｎｔ数，必要的话调整时间步；３）进入压力速度迭代，得到当前时间步的速度场和压力场；
４）返回步骤２）进入下一时间步计算，如果已到最后时刻则计算终止．
２一物理模型和参数设定２．１一流场耦合和表面网格生成过程
用计算流体力学方法研究三维模型绕流问题时，尤其对于一些复杂模型的绕流问题，网格生成是一项复杂而艰巨的任务．可以直接采用引用外部网格生成软件，但其前提条件是所产生的测速仪的 ．ｓｔｌ 文件足够光滑完整．用 ．ｓｔｌ 文件的好处是无需花很多精力去产生网格．
至此，就完成了 ．ｓｔｌ 文件与流场计算的耦合．耦合后的流场如图２所示，右边两个图分别为流场的局部放大和切片图，可以看到对于这样一个几何结构复杂的三维物体，所生成的网格满足了数值模拟的要求．
计算采用均匀网格，网格数为：ＮＸ?ＮＹ?ＮＺ＝２００?１５０?１２０＝３６０００００．为了更好地分
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辨模型结构，采用自适应网格在模型的顶盖二细杆和探头处进行局部加密，则最大加密网格数为１００００００
．图２一测速仪模拟流场示意图
Ｆｉｇ．２一Ｔｈｅｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ
２．２一初始条件与边界条件
初始条件：初始流场速度为０．
边界条件：左边界为入流边界，右边界为连续出流边界，前后和上下边界均为滑移边界，测速仪表面为无滑移边界．入流速度分别为
一一ｕ＝０．５ｍ／ｓ，ｕ＝２ｍ／ｓ，ｕ＝５ｍ／ｓ，ｕ＝１０ｍ／ｓ，ｕ＝１５ｍ／ｓ，
一一ｕ＝２０ｍ／ｓ，ｕ＝２５ｍ／ｓ，ｕ＝３０ｍ／ｓ，ｕ＝３５ｍ／ｓ，ｕ＝４０ｍ／ｓ．
表１一流场参数Ｔａｂｌｅ１一Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄ
Ｘ／ｍＹ／ｍ
Ｚ／ｍｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎ１
０．７５０．６ｍｏｄｅｌｓｉｚｅ０．２６０．２６０．３７２．３一参数设定：流场基本参数二湍流模式参数
该流动的流速不同，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数也不同，以速度为１５ｍ／ｓ的来流速度为例，Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数为一一
Ｒｅ＝ＵＬν＝１．５?０．３７１．８?１０－５?３．１?１０５．（１１）不同的来流速度Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数也不同，不同风速所对应的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数范围从１．１?１０４ ８．２２
?１０５．由于Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数很大，因此在计算中采用ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ?ε湍流模式，其中采用的模式参数为：Ｃν＝０．０９，Ａ０＝４．０，Ｃ２＝１．９，σｋ＝１．０，σｅｐｓ＝１．２．
２．４一并行计算由于该模型结构复杂，模型支撑杆过细，来流速度大，流场的Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数极高，因此计算区域要足够大以包含模型并使边界对流场影响尽量小，同时网格又要足够密以分辨出细小的支撑杆．本文在网格划分上采用了局部加密的处理方法，所以该数值模拟的网格数多且计算量非常大；在计算时采用区域分解的并行计算以提高计算效率，减少计算时间．该计算采用４个计算节点并行计算，每个算例的计算时间平均在７天左右．
７
６３１超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究
３一结果分析３．１一数值模拟研究算例分布
本文共计算了１０
组不同来流速度的工况，分别为ｕ＝０．５ｍ／ｓ，ｕ＝２ｍ／ｓ，ｕ＝５ｍ／ｓ，ｕ＝１０ｍ／ｓ，ｕ＝１５ｍ／ｓ，ｕ＝２０ｍ／ｓ，ｕ＝２５ｍ／ｓ，ｕ＝３０ｍ／ｓ，ｕ＝３５ｍ／ｓ，ｕ＝４０ｍ／ｓ．３．２一流场分析：三维速度场二压力场二涡量场
（ａ）Ｚ＝０．００３ｍ（ｂ）Ｚ＝０．０１４ｍ
（ｃ）Ｚ＝０．０３１ｍ（ｄ）Ｚ＝０．０４８ｍ
（ｅ）Ｚ＝０．０６５ｍ（ｆ）Ｚ＝０．０８２ｍ
图３一测速仪模拟截面速度分布Ｆｉｇ．３一Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓ
图４一测速仪模拟截面涡量分布
Ｆｉｇ．４一Ｔｈｅｖｏｒｔｉｃｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎ
从图３和图４中可见测速仪支撑细杆和探头对流动有扰动，在其后部下游流场中出现涡
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流尾流．但其基本流场结构仍保持较好的二维特征，即在垂直于Ｚ轴方向的各流面间没有较大的动量交换．
３．３一速度面平均分析
在沿顶盖下中心区域
Ｚ轴垂向上从０ ０．０８２ｍ的范围内平均截取２０个截面，每个截面上选取１０?１０＝１００个网格点上的速度做了面平均，画出了垂向上面平均速度的曲线图．图５分别为来流速度从０．５ｍ／ｓ到４０ｍ／ｓ的９种算例下的ｕＸ，ｕＹ，ｕＺ，３个速度分量和总速度值．
（ａ）ｕ＝０．５ｍ／ｓ（ｂ）ｕ＝５ｍ／ｓ（ｃ）ｕ＝１０ｍ／ｓ
（ｄ）ｕ＝１５ｍ／ｓ（ｅ）ｕ＝２０ｍ／ｓ（ｆ）ｕ＝２５ｍ／ｓ
（ｇ）ｕ＝３０ｍ／ｓ（ｈ）ｕ＝３５ｍ／ｓ（ｉ）ｕ＝４０ｍ／ｓ
图５一不同来流速度下Ｘ?Ｙ面上的速度平均值Ｆｉｇ．５一ＴｈｅａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆＸ?Ｙｐｌａｎｅａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ
由图５可以看出：沿Ｚ轴方向，面平均速度ｕａ的值在探头中心线（Ｚ＝０．０４ｍ）以左部位达
到最低值，而在各种情况下，由于在探头中心线平面内流体受到超声速测速仪支杆等的影响最小，因此此处的速度平均值均与给定来流值最为接近．９
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３．４一研究结果分析
随后，着重分析了小球中心截面，即测速仪发射接收装置的区域截面上的速度变化情况，如图６和图７所示．由表２二３可以看到截面上平均速度与来流速度的误差百分比的空间分布
趋势，在速度为２０ ３０ｍ／ｓ的范围内误差值最小，而在低速（小于５ｍ／ｓ）和高速（大于４０ｍ／ｓ）的误差相对来说比较大，但误差百分比都没有大于３．５％，这说明该测速仪的设计精度还是比较高的．
表２一探头中心Ｚ＝０．０４８０ｍ截面上速度平均误差率
Ｔａｂｌｅ２一ＴｈｅｅｒｒｏｒｓｏｆａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒＺ＝０．０４８０ｍ
ｉｎｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｕ／（ｍ／ｓ）０．５５１０１５２０２５３０３５４０ａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｕａ／（ｍ／ｓ）０．５１５８５．１５７１０．２５３５１５．３４８３２０．３７２４２５．４０８７３０．５９０７３５．７７９６４１．１３７９ｅｒｒｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃｖａｌｕｅδａ／％３．１６３．１４２．５４２．３２１．８６１．６３１．９７２．２３２．８４
表３一测速仪中心区域所有截面上速度平均误差率
Ｔａｂｌｅ３一Ｔｈｅｅｒｒｏｒｓｏｆａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎａｌｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓｉｎｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｕ／（ｍ／ｓ）
０．５２５１０１５２０２５３０３５４０ａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙ
ｕａ／（ｍ／ｓ）０．５１９０２．０６８４５．２８２３１０．５２７１１５．７８１６２０．９６４６２６．１６９７３１．５２１８３６．８５３７４２．０９７１ｅｒｒｏｒｓｐｅｃｉｆｉｃｖａｌｕｅδａ／％３．８３．４２５．６５５．２７５．２１４．８２４．６８５．０７５．３５．２４
图６一探头中心Ｚ＝０．０４８０ｍ截面上
图７一测速仪中心区域所有截面上速度平均误差率
速度平均误差率Ｆｉｇ．６一ＴｈｅｅｒｒｏｒｓｏｆａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙＦｉｇ．７一ＴｈｅｅｒｒｏｒｓｏｆａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｙｆｏｒＺ＝０．０４８０ｍｉｎａｌｌｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓ
４一结一一论
根据测速仪的测速原理，本研究采用计算流体力学方法数值模拟了从低速到高速的不同来流风速下的绕流流场，从数值模拟结果可以得到如下结论：
１）测速仪模型内部的平均速度比来流风速要大，理论分析与数值模拟均支持该结论．２）本测速仪的最佳测速点为４个探头中心点连线处，在由４个探头中心线组成的平面
上，流速面平均值最接近来流速度．３）在低速二中速二高速和层流二湍流状态下利用本测速仪均可得到满足误差要求的速度测
０７３１关一晖一一一孙学金一一一熊一英一一一卫克晶一一一杨启东
量结果．
总之，采用计算流体力学方法可以定量化描述模型对风场的影响程度，可以准确地预测最佳测速点，以判断测速仪模型结构对中心区域风速的影响程度，从而为后续对测速仪模型进行设计和优化提供理论依据．
参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：
［１］一彭艳，张宏升，许飞，王凯，康凌，张霭琛．风杯风速计测风误差的分析研究与订正方法［Ｊ］．气象水文海洋仪器，２００３，２０（２）：５?１５．（ＰＥＮＧＹａｎ，ＺＨＡＮＧＨｏｎｇ?ｓｈｅｎｇ，ＸＵＦｅｉ，ＷＡＮＧＫａｉ，
ＫＡＮＧＬｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＡｉ?ｃｈｅｎ．Ｔｈｅｗｉｎｄｃｕｐａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｗｉｎｄｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ
ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＨｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌａｎｄＭａｒｉｎｅＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，２００３，２０（２）：５?１５．（ｉｎＣｈｉ?
ｎｅｓｅ））
［２］一黄健，杨金波，夏光滨．手持式超声波风向风速仪动态比对试验方法研究［Ｊ］．科技信息，２０１２（１５）：６９?７０．（ＨＵＡＮＧＪｉａｎ，ＹＡＮＧＪｉｎ?ｂｏ，ＸＩＡＧｕａｎｇ?ｂｉｎｇ．Ｈａｎｄｈｅｌｄｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒ
ｗｉｎｄｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，２０１２
（１５）：６９?７０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［３］一曹可劲，崔国恒，朱银兵．超声波风速仪理论建模与分析［Ｊ］．声学与电子工程，２０１０（１）：３９?
４２．（ＣＡＯＫｅ?ｊｉｎ，ＣＵＩＧｕｏ?ｈｅｎｇ，ＺＨＵＹｉｎ?ｂｉｎｇ．Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｎｅｍｏｍｅｔｅｒｔｈｅｏｒｙｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄ
ａｎａｌｙｓｉｓ［Ｊ］．ＡｃｏｕｓｔｉｃｓａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０（１）：３９?４２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［４］一黄颖辉．基于ＤＳＰ的超声风速测量［Ｊ］．信息技术，２００８（１１）：１０７?１１０．（ＨＵＡＮＧＹｉｎｇ?ｈｕｉ．Ｕｌ?
ｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂａｓｅｄｏｎＤＳＰ［Ｊ］．ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８（１１）：１０７?
１１０．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［５］一丁向辉，李平．基于ＦＰＧＡ和ＤＳＰ的超声波风向风速测量系统［Ｊ］．应用声学，２０１１，３０（１）：
４８?５４．（ＤＩＮＧＸｉａｎｇ?ｈｕｉ，ＬＩＰｉｎｇ．Ｔｈｅｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗｉｎｄｓｐｅｅｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎ
ＦＰＧＡａｎｄＤＳＰ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＡｃｏｕｓｔｉｃｓ，２０１１，３０（１）：４８?５４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［６］一
李增志，黄峰，朱福萌，王金刚．超声风速温度仪的误差分析与检定方法研究［Ｊ］．气象研究与应用，２００９，３０（１）：６０?６４．（ＬＩＺｅｎｇ?ｚｈｉ，ＨＵＡＮＧＦｅｎｇ，ＺＨＵＦｕ?ｍｅｎｇ，ＷＡＮＧＪｉｎ?ｇａｎｇ．Ｕｌ?
ｔｒａｓｏｎｉｃｗｉｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｅｒｒｏｒａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００９，３０（１）：６０?６４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［７］一
ＪａｓａｋＨ．ＯｐｅｎＦＯＡＭ：ｏｐｅｎｓｏｕｒｃｅＣＦＤｉｎｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｙ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，１（２）：８９?９４．
［８］一ＯｐｅｎＦＯＡＭＵｓｅｒＧｕｉｄｅ［Ｋ］．ｖｅｒｓｉｏｎ２．２，２０１３．［９］一查晶晶．基于ＯｐｅｎＦＯＡＭ的数值造波与消波模型及其应用［Ｄ］．硕士学位论文．上海：上海交通
大学，２０１１．（ＺＨＡＪｉｎｇ?ｊｉｎｇ．ＢａｓｅｄｏｎＯｐｅｎＦＯＡＭｎｕｍｅｒｉｃａｌｗａｖｅｍａｋｅｒａｎｄｗａｖｅｂｒｅａｋｅｒ
ｍｏｄｅｌａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｄ］．ＭａｓｔｅｒＴｈｅｓｉｓ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））［１０］一郑巢生．基于ＯｐｅｎＦＯＡＭ的空泡流数值模拟方法研究［Ｄ］．硕士学位论文．北京：中国舰船研究院，２０１２．（ＺＨＥＮＧＣｈａｏ?ｓｈｅｎｇ．ＢａｓｅｄｏｎＯｐｅｎＦＯＡＭｃａｖｉｔｙｆｌｏｗｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅ?
ｓｅａｒｃｈ［Ｄ］．ＭａｓｔｅｒＴｈｅｓｉｓ．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｈｉｐｓ，２０１２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ））
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７３１超声波测速仪的计算流体力学数值模拟研究
２７３１关一晖一一一孙学金一一一熊一英一一一卫克晶一一一杨启东
ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ｏｆａｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃＶｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ
ＧＵＡＮＨｕｉ１，一ＳＵＮＸｕｅ?ｊｉｎ１，一ＸＩＯＮＧＹｉｎｇ２，一ＷＥＩＫｅ?ｊｉｎｇ１，一ＹＡＮＧＱｉ?ｄｏｎｇ３（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｙａｎｄＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙ，ＰＬＡＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，
Ｎａｎｊｉｎｇ２１１１０１，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
２．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＥｑｕｉｐｍｅｎｔ
（ＤａｌｉａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ），Ｄａｌｉａｎ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ１１６０２４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ；
３．ＳｈａｎｇｈａｉＭｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＦａｃｔｏｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，
Ｓｈａｎｇｈａｉ２０１２０９，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
（ＲｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄｂｙＷＵＣｈｕｉ?ｊｉｅ，Ｍ．ＡＭＭＥｄｉｔｏｒｉａｌＢｏａｒｄ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒｉｓａｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ?ｒｅｃｅｉｖｅｒｔｏｄｅｔｅｃｔｔｈｅｔｉｍｅｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄｒｅｃｅｐｔｉｏｎｏｆｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅｓａｎｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｏｆｆｌｕｉｄｆｌｏｗ．Ｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｄｏｍｅｓｔｉｃｓｔｕｄｉｅｓｍａｉｎｌｙｆｏｃｕｓｏｎｈｏｗｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｅｒ?ｒｏｒｓ，ｂｕｔｓｐａｒｅｌｉｔｔｌｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｔｏｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｗｉｎｄｆｉｅｌｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙｏｆａｍｏｄｅｌｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ，ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｗｉｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｗｉｎｄｆｉｅｌｄｗａｓａｄｄｒｅｓｓｅｄ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）ｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｃｏｍｉｎｇｆｌｏｗｓｆｒｏｍｌｏｗｓｐｅｅｄｔｏｈｉｇｈ，ａｎｄｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｐｒｏｆｉｌｅｓｉｎｔｈｅｃｅｎｔｒａｌａｒｅａｏｆｔｈｅｖｅｌｏｃｉｍ?ｅｔｅｒａｎｄｔｈｅａｖｅｒａｇｅｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｓ．Ｃｏｎｓｅｑｕｅｎｔｌｙ，ｔｈｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙｉｎｔｈｅｃｅｎｔｒａｌａｒｅａｏｆｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗａｓｅｖａｌ?ｕａｔｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓｍｅａｓｕｒｅｄｏｎｔｈｅｐｌａｎｅａｔｔｈｅｔｏｐｓｏｆｍｅａｓ?ｕｒｉｎｇｂａｌｌｓａｒｅｔｈｅｍｏｓｔａｃｃｕｒａｔｅｉｎｓｐｉｔｅｏｆｌｏｗｏｒｈｉｇｈｉｎｃｏｍｉｎｇｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｂｅａｐｏｗｅｒｆｕｌｔｏｏｌｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌｄｅｓｉｇｎｏｆｈｉｇｈ?ａｃｃｕｒａｃｙｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｆｉｎｉｔｅｖｏｌｕｍｅｍｅｔｈｏｄ
超声波在车辆测速中的应用
超声波在车辆测速中的应用 随着交通系统的发展，越来越多的传感器被应用在交通系统中。其中超声波传感器由于其自身的优点在测距测速中得到了广泛的应用。超声波是频率高于2O kHz 的声波，其波长短，方向性好．穿透能力强。它在医学、军事、工业、农业上有很多的应用，可用于测距，测速、测厚、探伤和超声成像等。超声波在空气中传播，遇到障碍物会反射回来，由发射与接收的时间差，可计算发射器到障碍物的距离。与激光测距设备相比，超声波以其方便、简单、成本低等因素被广泛应用于短距离的测量中。 超声波测距是利用超声波指向性强、能量消耗缓慢并因而在特定介质中传输距离远的特点，通过发射具有特征频率的超声波实现对被摄目标距离的探测。在交通系统中，利用超声波传感器测距测速有很重要的意义，不仅能采集到交通数据进行状态评估，而且还能有效地避免交通事故的发生。在智能交通系统中，超声波传感器被安装在路边来测量通过车辆的速度，判断是否超速。在无人驾驶智能车上安装超声波传感器，可以自动检测前车的距离，防止追尾事故；同时还可以检测前车的速度，做出是否超车的判断。 测量原理 超声波测距模块到障碍物的距离 S=（△T×V0）/2 (1) 式中：△T为超声波由发射到接受的用时：V0为超声波在空气中的传播速度，且 与温度的关系为V0=331.5+0.6T (2) 式中T为环境摄氏温度。根据式（2）进行声速修正可提高测量精度。当超声波传感器静止，被测物体以相对声速低速运动时，假设t1时刻测得被测物体与传感器距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则超声波传感器与被测物体之间的相对速度 V=（s2-s1）/(t2-t1) (3) 当传感器装在车上进行运动测速时，如图1.1所示，假设车A运动速度为V1, 假设t1时刻测得前车B与车A距离为s1,t2时刻测得距离为s2，则两车相对速度为 △ V=（s2-s1）/(t2-t1)（4） 可以得到车B的速度为V2=V1+△V。 设计实现 硬件设计 主芯片为飞思卡尔xls128,控制舵机的转动，33886驱动电路，驱动电机转动，同时光电传感器检测道路信息，将采集到的路面信息传回单片机，控制智能车的行驶方向。超声波传感器模块由一个发射器和接收器构成，单片机控制发射器发出频率为40kHz的脉冲，并开始计时，遇到最近障碍物反射回接收器，计时结束，通过发射接受的时间间隔计算出距离。
高一物理测速问题
常用测速方法的归纳 （一）：打点计时器测速 1、在做“练习使用打点计时器”的实验时．图是某次实验的纸带，舍去前面比较密的点，从0点开始，每5个连续点取1个计数点，标以1、 2、3…那么相邻两个计数点之间的时间间隔为________s，各计数点与0计数点之间的距离依次为x1＝3.0 cm、x2＝7.5 cm、x3＝13.5 cm，则物体通过1计数点的速度v1＝________，通过2计数点的速度v2＝________，运动的加速度为________。 2、在“练习使用打点计时器”的实验中，某同学选出了一条清晰的纸带，并取其中的A、B、 C、…七个点进行研究，这七个点和刻度尺标度的对应如下图所示． 可求出A点到D点的平均速度________m/s，F点的瞬时速度________ m/s。 （二）：传感器测速 1、平直的公路上，装有发射装置的高速行使轿车同时向前方的接受装置发射一个红外脉冲和一个超声波脉冲，接受装置收到红外脉冲和超声波脉冲的时间间隔是2s,经过1s,发射装置又同时发射出红外脉冲和超声波脉冲，这次接受到的时间间隔是1.9s，求轿车在1s内的平均速度？（声音在空气中传播的速度是v=340m/s） 2、下图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B中p1、p2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是p1、p2由汽车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，p1、p2之间的时间间隔△t=1.0s，超声波在空气中传播的速度是v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图B可知，汽车在接收到p1、p2两个信号之间的时间内前进的距离是多少米？汽车的速度是多少？. A B
超声波测车速练习(供参考)
超声波测车速 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设 测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超 声波在空气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿 直线匀速行驶． （1）图b中每小格表示的时间是s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s？ 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时0.4s，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时0.3s，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少？（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少？（3）被测汽车的速度是多大？ 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1 n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为0.9秒，超声波在空气中传播的速度为340米/秒，则被测车的车速为（） A．20米/秒B．25米/秒C．30米/秒D．40米/秒 4．（2013?绍兴）交通部门常用测速仪检测车速。测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被测车反射回的超声波信号，再根据两次信号的时间差，测出车速，如图甲。某次测速中，测速仪发出与接收超声波的情况如图乙所示，x表示超声波与测速仪之间的距离。则该被测汽车速度是（假设超声波的速度为340米/秒，且保持不变）（）D A．28.33米/秒B．13.60米/秒C．14.78米/秒D．14.17米/秒 5．测量员是这样利用回声测距离的：他站在峭壁之前某一位置鸣枪，经过1.00s听到回声，已知声速为340m/s，则测量员能测出他与峭壁间的距离为170m．与此类似，如图所示是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪指向车辆发出超声波脉冲信号，并接收经车辆反射的超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度．在某次测速过程中，超声波测速仪对某一汽车共发射两次信号，接收两次信号，
超声波测速
12 =12×s=0.4s= =9×s=0.3s=vt -t+t v==17.9m/s. 超声波测速 超声波测速 适合作流动物质中含有较多杂质的流体的流速测量，超声多普勒法只是其中一种，还有频差法和时差法等等。 时差法测量沿流体流动的正反两个不同方向发射的超声播到达接收端的时差。需要突出解决的难题是这种情况下，由于声速参加运算（作为分母，公式不好写，我积分不够没法贴图），而声速收温度的影响变化较大，所以不适合用在工业环境下等温度变化范围大的地方。 频差法是时差法的改进，可以把分母上的声速转换到分子上，然后在求差过程中约掉，这就可以避开声速随温度变化的影响，但测频由于存在正负1误差，对于精度高的地方，需要高速计数器。 还有就是回鸣法了，可以有效改进由于计数器正负1误差带来的测量误差。 以上这些东东都是关于流体的流速的超声测量方法。对于移动物体的速度测量多采用超声多谱勒法。 根据声学多普勒效应，当向移动物体发射频率为F的连续超声波时，被移动物体反射的超声波频率为f，f 与F服从多普勒关系。如果超声发射方向和移动物体的夹角已知，就可以通过多普勒关系的v,f,F,c表达式得出物体移动速度v。 设超声波速度为V两次发出超声波的时间间隔为T第一次用时为T1第二次为T2则车速为V1=V×（T2-T1）/T（以上数据均可测出） 超声波测速仪测量车速，图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1，n2... 如图所示，图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差测出被测物体的速度。图B中P1、P2是测速仪发出的超声波信号，N1、N2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，
测速问题
1.为保障交通安全, 对公路上的行车速度就要有一定的限制，因此要对公路上过往的车辆进行车速的检测. 通常高速公路上用超声波测速仪测量车速，测速仪发出并接收被车辆反射回的脉冲信号, 根据发出和接收的信号时间差, 可以算出被测车辆的速度. 设车辆匀速驶向检测者, 当汽车行至某一位置时, 测速仪发出第一个脉冲信号, 后经汽车反射后被测速仪接收, 测速仪记录下从发射到接收信号历时t1=0.4s;在发出第一个信号后Δt=1.0 s时又发出第二个信号, 之后经t2=0.3 s又收到了反射信号. 超声波在空气中的速度是v=340 m/s,求汽车在先后两次反射超声波脉冲信号时间内的位移Δx 和汽车速度的大小。 2.公路上行驶的两辆汽车之间应保持一定的安全距离。当前车突然停止时，后车司机可以采取刹车措施，使汽车在安全距离内停下而不会与前车相碰。通常情况下，人的反应时间和汽车系统的反应时间之和为1s。当汽车在晴天干燥沥青路面上以108km/h的速度匀速行驶时，安全距离为120m。设雨天时汽车轮胎与沥青地面的动摩擦因数为晴天时的2/5，若要求安全距离仍为120m，求汽车在雨天安全行驶的最大速度。 3.一辆客车在某高速公路上行驶，在经过某直线路段时，司机驾车做匀速直线运动．司机发现其正要通过正前方高山悬崖下的隧道，于是鸣笛，5s后听到回声；听到回声后又行驶10s司机第二次鸣笛，3s后听到回声．请根据以上数据帮助司机计算一下客车的速度，看客车是否超速行驶，以便提醒司机安全行驶．已知此高速公路的最高限速为120 km/h，声音在空中的传播速度为340 m/s. 4.(2001年上海高考题)图所示是在高速公路上用超声波测速仪侧量车速示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测车辆的速度。如图P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的超声波信号。设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔△t=1.0s，超声波在空气中传播的速度是 v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根 据图可知，汽车在接收到P1、P2两个信 号之间的时间内前进的距离是 ______m，汽车的速度是______m/s。 5.平直的公路上，装有发射装置的高速行使轿车同时向前方的接受装置发射一个红外脉冲和一个超声波脉冲，接受装置收到红外脉冲和超声波脉冲的时间间隔是2s,经过1s,发射装置又同时发射出红外脉冲和超声波脉冲，这次接受到的时间间隔是1.9s，求轿车在1s内的平均速度？（声音在空气中传播的速度是v=340m/s） 6.某雷达站正在跟踪一架飞机，此时飞机正朝着雷达站方向匀速飞来；某一时刻雷达发出一个无线电脉冲，经200μs后收到反射波；隔0.8s后再发出一个脉冲，经198μs收到反射波，已知无线电波传播的速度为c=3×108m/s，求飞机的飞行速度．
具有实时语音播报的超声波测距测速仪
具有实时语音播报的超声波测距测速仪（C题） 摘要：本文研究内容为实时语音播报的测距测速仪，利用超声波进行距离测量,测量精度在厘米级别,适用于近距离测距。本系统以STC12C5A60S为微处理芯片， 其产生40kHz频率，再利用超声波换能器TCT40-16T产生超声波信号并发射 出去，由TCT40-16R接收超声波信号，并利用超声波专用芯片CX20106A检 波、处理超声波信号，最后发送给微处理器。微处理器通过计算得到与障碍 物的距离，并通过所得距离计算出物体的移动速度。微处理器通过串口控制 JQ6500语音模块。当微处理器计算得到障碍物的距离和物体移动速度时，微 处理器发送指定的命令，驱动语音模块播放保存在FLASH中的语音,实现实 时语音播报。 关键词:STC12C5A60S2;JQ6500;超声波。
1 系统方案设计 设计任务 根据命题要求，设计并制作一台具有实时语音播报的超声波测距测速仪。 A. 具有超声波测距功能，测量距离～，测距精度±1cm； B. 自动语音实时播报测量距离数值；实时播报时间间隔t≤10s；实时语音播报清晰明亮、无明显失真，在1米距离处人耳能准确分辨。 C. 实时显示测量的距离和速度，并且显示内容要与语音播报内容同步。 总体设计方案 具有实时语音播报的超声波测距测速仪由6部分组成：超声波发射模块、超声波接收模块、51单片机最小系统、LCD1602显示模块、JQ6500语音播报模块、按键模块组成。 图1-1 超声波测距测速仪组成图 声波测速测距原理 声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间T，发射点距障碍物的距离S,如图1-2所示。
有关超声波测速的几个典型题
有关超声波测速的几个典型题 1．如图所示，在京昆高速公路266 km 处安装了一台500万像素的固定雷达测速仪，可以准确抓拍超速车辆以及测量运动车辆的加速度．若B 为测速仪，A 为汽车，两者相距355 m ，此时刻B 发出超声波，同时A 由于紧急情况而急刹 车，当B 接收到反射回来的超声波信号时，A 恰好停止，且 此时A 、B 相距335 m ，已知声速为340 m/s 。 （1）求汽车刹车过程中的加速度； （2）若该路段汽车正常行驶时速度要求在60km/h~110km/h ，则该汽车刹车前的行驶速 度是否合法？ 答案：（1）10m/s 2；（2）v 0 = 72 km/h ，合法。 解析：（1）根据题意，超声波和汽车运动过程的示意图， 如图所示。 设超声波往返的时间为2 t ，汽车在 2 t 时间内，刹车的位移为2221）（t a x = =20m 当超声波与A 车相遇后，A 车继续前进的时间为t ，位移为222 1at x = =5m 则超声波在2 t 内的路程为2×（335+5）m = 680 m ， 由声速为340 m/s ，得t = 1 s ，解得汽车的加速度a = 10 m/s 2 （2）由A 车刹车过程中的位移 a v x 220= 解得刹车前的速度 v 0 = 20 m/s = 72 km/h 车速在规定范围内，是合法的。
2．在高速公路上常使用“超声波测速仪”测定车速，从而判断汽车是否超速行驶。“超声波测速仪”其实就是一种传感器，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到信号的时间差的变化，测出被测物体速度。下图甲中仪器A 和B 通过电缆线连接，B 为超声波发射与接收一体化装置，仪器A 能够将装置B 发出和接收到的超声波以脉冲波形显示在屏幕上。现固定装置B ，并将它对准直线匀速行驶的小车C 的尾部，使其每隔固定时间T 0发射一短促超声波脉冲，下图乙中幅度较大的波形。反射波（图乙中幅度较小的波形）滞后的时间已在图中标出，其中T 0和△T 为已知量，另外还知道该测定条件下超声波在空气中的速度为v 0，求小车的速度大小。 \ 答案：T T Tv ?+?002 解析：超声波两次与汽车相遇时，汽车前进的距离为02v T x ?= ? 前进该距离所用时间为20T T t ?+ =? 所以T T Tv t x v ?+?=??= 002
人教版八年级第一章速度计算超声波测速专题(部分有答案)
速度计算超声波测速专题 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1?n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测 速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为秒，超声波在空 气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿直线匀速 行驶． （1）图b中每小格表示的时间是 s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少（3）被测汽车的速度是多大 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中，P1、P2是测速仪先后发出的超声波信号，n1?n2分别是测速仪检测到的P1、P2经反射后的信号．设测速仪匀速扫描，P1与P2之间的时间间隔为秒，超声波在空气中传播的速度为340米/秒，则被测车的车速为（） A．20米/秒 B．25米/秒 C．30米/秒 D．40米/秒 4．交通部门常用测速仪检测车速。测速原理是测速仪前后两次发出并接受到被测车反射回的超声波信号，再根
基于单片机超声波多普勒测速的设计
摘要 在速度测量领域，利用多普勒效应的设计不在少数。其中，多以激光多普勒测速设计或装置为主，激光以其高强度、频率单一、不易受到干扰等良好的性质受到众多多普勒测速设计者的青睐，以激光为波源做成的装置具有测速范围广(4×10~(-5)～10~4米/秒)、空间分辨率高、动态响应快等优点。但是，这种装置一般而言价格比较昂贵，在许多测量精度要求不那么严格的地方的应用受到了很大的限制。因此，我们设计了以超声波作为波源结合单片机用以数据处理的方案，再加上其他一些必要的电子电路，可以把整个装置集成到一块PCB板上，以电池供电。这样便解决了价格问题，提高了性价比，同时携带方便，测量精度亦在可以接受的范围内。 关键词：多普勒效应；超声波；单片机；混频放大；差频测量；模数转换；滤波整形 基于单片机的超声波多普勒测速设计 1前言 1.1多普勒效应 多普勒效应是指物体辐射的波长因为光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，在运动的波源后面，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，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度，恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，这种现象称为多普勒效应。 测速的公式简介。多普勒效应是本设计的理论依据，深入的考虑，可基于超声波多普勒效应推导出移动物体的速度，具体公式如下：
（1）当波源静止，观察者运动时 f=[(u+Vr)/u]f0 ① （2）当波源运动，观察着静止时 f=[u/(u-Vs)]f0 ②（3）当两者同时运动时 f=[(u+Vr)/(u-Vs)]f0 ③由于超声波的发生器和接收器是集中在一起的，所以当运动物体反射超声波时，应该把运动物体当做波源，而把超声波接收器作为观察者。这样，就可以结合上述公式求出运动物体的速度与多普勒频移之间的关系，如下： （1）当波源静止，观察者运动时 Vr=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ④（2）当波源运动，观察者静止时 Vs=[(f0-f’)/(f0+f’)]u ⑤（3）当两者相对运动时 Vr={[(f’-f0)u2-(f’+f0)Vs]/[(f’+f0)u+(f0-f’)Vs]}u ⑥其中第⑤式的情况在实际情况中不会出现，但是注意到两者相对运动时的第⑥式中出现了波源的运动速度Vs，这时就需要用第⑤式先求出波源的运动速度， 进而求出物体的运动速度。由上述推导公式可知，只要得到多普勒频移信号f-f0，即可求得物体的运动速度Vr。 1.2单片机 1.2.1单片机简介 单片机是一种集成在硅片上的电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
超声波测速仪。燕大-创新一学分
电气学院 创新设计说明书题目：超声波测速仪 学院（系）： 年级专业： 学号： 学生姓名：
燕山大学课程设计（论文）任务书 院（系）：电气工程学院基层教学单位：电子实验中心 说明：此表一式四份，学生、指导教师、基层教学单位、系部各一份。
年月日 目录 第1章摘要 (1) 第2章引言 (2) 第3章基本原理 (3) 第4章参数设计及运算 (5) 4.1 结构设计 (5) 4.2 电容设计与计算 (8) 4.3 其他参数的计算 (10) 4.4 测量电路的设计 (12) 第5章程序设计 第6章误差分析 (14) 第7章结论 (16) 心得体会 (17) 参考文献 (18)
报告内容 1：摘要 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前的急速水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本超声波测距系统在一个场合下使用时精确度会有所不同。通常它的错误比较大且时常不能符合应用的需要。在本文中，在特殊场合可用于非接触测量距离的新超声波测距系统，采用单芯片、超声波测距技术和传感器技术设计。距离和温度测量数据通过液晶显示屏显示，由单芯片机控制的发射和接收超声波，根据时间差定位的方法来测量距离。 超声波测距采用一种非接触式检测方法来检测在黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣环境中的对象，具有一定的适应性，它结构简单、体积小，可提供可靠的信号处理等等。在特殊场合可用于非接触测量距离的新超声波测距系统，采用单芯片、超声波测距技术和传感器技术设计。超声波是一种超出了人们听觉范围（16KHz）的声波。它有一些特征，如高频率，沿线传播，良好的方向性，小衍射，穿透力强，慢速度（340米/秒）等。然而，一些电路复杂性、技术难度、调试困难、组件难买的问题存在着。本文介绍的电路成本低、性能可靠、易于购买组件，并结合单芯片的数据处理，使得测量精度得到了提高。研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需求；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合与前还工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；搭理降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。毋庸置疑，无线的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
超声波多普勒效应测速仪的设计
超声波多普勒效应测速仪的设计
超声波多普勒效应测速仪 一、题目分析 本设计为本次实验设计大赛基础题，其设计的原理基于多普勒效应。题目的任务为：设计与多普勒效应相关的实验，观测其物理现象，基于实验测量数据分析被测对象的物理过程（物理量）。要求： （1）突出实验的物理原理； （2）体现作品的物理创新思想； （3）进行不确定度分析； （4）操作简易、可用于实验教学； （5）性价比高。 从题目命题来看，目的非常明确，就是设计一个实验使之能观测多普勒效应并能测定相关物理量。实现这个基本点的基础上，要求体现作品的物理创新思想与实用性。再者，实验装置成本低，性能好。 创新的一个基本认识是：通过创造或引入新的技术、知识、观念或创意创造出新的产品、服务、组织、制度等新事物并将其应用于社会，以实现其价值的过程。价值包括其经济价值、社会价值、学术价值和艺术价值等。这里要求设计能够体现物理创新思想，即意味着设计需要另辟蹊径，走一条新路子。至少要避开实验室已有的传统的实验设计方案。实用性明确：操作简易，可用于实验教学。这就要求设计人性化，易于交互，原理明确，测量准确。性价比指标则要求控制成本，在实现同样的功能前提下其成本更加低廉。 为此首先必须正确理解多普勒效应。多普勒效应描述的是波源或观察者，或者两者同时相对于介质有相对运动时，观察者接收到的波的频率与波源的振动频率不同，即发生了频移。由此可知，这一实验设计的基本任务必须立足几点： （1）波源选择。多普勒效应是一切波动过程的共同特征，它适用的对象是波。机械波与电磁波（光波）均可作为本次实验设计的分析对象。水波、声波、光等都可以作为波源。波源选择不同，其对应的检测方法不同，难度也不一样。
有关超声波测速的几个典型练习题复习.doc
精品 文 档 有关超声波测速的几个典型题 1．如图所示，在京昆高速公路266 km 处安装了一台500万像素的固定雷达测速仪，可以准确抓拍超速车辆以及测量运动车辆的加速度．若B 为测速仪，A 为汽车，两者相距355 m ，此时刻B 发出超声波，同时A 由于紧急情况而急刹车，当B 接收到反射回来的超声波信号时，A 恰好停止，且此时A 、B 相距335 m ，已知声速为340 m/s 。 （1）求汽车刹车过程中的加速度； （2）若该路段汽车正常行驶时速度要求在60km/h~110km/h ，则该汽车刹车前的行驶速度是否合法？ 答案：（1）10m/s 2；（2）v 0 = 72 km/h ，合法。 解析：（1）根据题意，超声波和汽车运动过程的示意图，如图所示。 设超声波往返的时间为2 t ，汽车在 2 t 时间内，刹车的位移为2 22 1） （t a x ==20m 当超声波与A 车相遇后，A 车继续前进的时间为t ，位移为2 22 1at x ==5m 则超声波在2 t 内的路程为2×（335+5）m = 680 m ， 由声速为340 m/s ，得t = 1 s ，解得汽车的加速度a = 10 m/s 2 （2）由A 车刹车过程中的位移 a v x 22 = 解得刹车前的速度 v 0 = 20 m/s = 72 km/h 车速在规定范围内，是合法的。
2．在高速公路上常使用“超声波测速仪”测定车速，从而判断汽车是否超速行驶。“超声波测速仪”其实就是一种传感器，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到信号的时间差的变化，测出被测物体速度。下图甲中仪器A 和B 通过电缆线连接，B 为超声波发射与接收一体化装置，仪器A 能够将装置B 发出和接收到的超声波以脉冲波形显示在屏幕上。现固定装置B ，并将它对准直线匀速行驶的小车C 的尾部，使其每隔固定时间T 0发射一短促超声波脉冲，下图乙中幅度较大的波形。反射波（图乙中幅度较小的波形）滞后的时间已在图中标出，其中T 0和△T 为已知量，另外还知道该测定条件下超声波在空气中的速度为v 0，求小车的速度大小。 \ 答案： T T Tv ?+?00 2 解析：超声波两次与汽车相遇时，汽车前进的距离为02 v T x ?=? 前进该距离所用时间为2 0T T t ?+=? 所以T T Tv t x v ?+?=??=002
超声波测速系统
题目：超声波测距系统 一、设计目的： 1、通过本次课程设计加深对单片机课程的全面认识和掌握，对单片机课程的应用进一步的了解。 2、掌握定时器、外部中断的设置和编程原理。 3、通过此次课程设计能够将单片机软硬件结合起来，对程序进行编辑，校验。 二、设计任务： 利用单片机及外围接口电路(显示接口电路)设计制作超声波测距仪器，用LED把测距仪距被测物的距离显示出来。 三、具体要求： 1.使用软件Proteus 7 Professional测试仿真调试，并在keil环境下编写程序并调试。 2.在面包板上进行初步仿真测试，设计好布线以及焊接排序。 3．在PCB板上焊接元器件电路，并进行测试得出实验结果。 四、设计原理 （一）硬件设计 1.超声波测距原理 超声波测距原理是通过超声波发射器向某一方向发射超声波（一般为40KHz 的超声波）,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v ,而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差△t ,就可以计算出发射点距障碍物的距离S ,即: S = v?△t /2
超声波测距仪原理框图 （1）单片机最小系统 单片机最小系统电路，由主控器STC89C52、时钟电路和复位电路三部分组成。单片机STC89C52作为核心控制器控制着整个系统的工作，而时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。 （2）晶振电路 位单片机提供时钟频率 （3）复位电路 复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。 总的电路图如下：
超声波流量计技术问题汇总
超声波流量计技术问题汇总 超声波流量计采用时差方式的测量原理，它利用探头发出的超声波在流动着的流体中的传播，顺流方向声波传播速度会增大，逆流方向则减小，在同一传播距离就有不同的传输时间，根据传输速度之差与被测流体流速之间的关系测出流体的流速。 ●什么情况下，采用插入式流量计？ 答：1）管道直径较大时； 2）有紧密衬时； 3）管结垢严重时； 4）管材为超声波的不良导体时； 5）外夹式探头达不到要求的信号强度或测量不稳定时。 ●管段式流量计为什么容易保持计量精度？ 答：1）机加工定型定位； 2）需输入的参数，均可准确测量； 3）可在流量装置上标定。 ●为什么时差式超声波流量计在小管径上标定好后无须在大管径上标定? 答：超声波流量计属速度式仪表，它测量的是管道中流体的平均流速V，在仪表中，将V 乘以管道的截面积A，就得到体积流量Q，即Q=V×A。在超声波流量计的技术指标中，其精度为流速的±0.5%，也说明了这一点，正因为超声波流量计为测速仪表，因此，它在多大规格的管道检定也就不重要了，因为在Q=V×A公式中，A为一个给定值（管道规格），而V 为一个仪表实测值，Q为一个计算量。关于对应的标准，可查阅ISO/TR12765-1998《封闭管道中流体流量测量-采用传播时间超声波流量计测量流量》。 ●多普勒流量计对气泡、颗粒的含量有什么要求？什么情况下影响测量精度? 答：1）在测量含颗粒的介质时，含气泡量不宜过多，否则影响数据飘且不稳定2）在运用多普勒原理测量时，被测介质的颗粒或悬浮物必须能代表流体流速，在管道能均匀分布，含量或多或少对流量都不会有太大影响。 ●多普勒流量计能测原油吗? 答：含一定气体或杂质的原油可测。 ●明渠流量计和不满管流量计的区别是什么? 答：1）明渠测量必须有标准的原始测量装置（如标准槽、堰），根据液位变化计算流量；2）非满管测量，适用比较广泛，对复杂多变的现场条件适用性比较强，测量时可根据流速及流体流经装置的截面来
高一物理利用超声波测车速 人教版
高一物理利用超声波测车速 1、图1—9中的A 是在高速公路上用超声测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号．根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度，图B 中P 1、P 2是测速仪发出的超声波信号，n 1、n 2分别是P 1、P 2由汽车反射回来的信号，设测速仪匀速扫描，P 1、P 2之间的时间间隔△t=1.0s ，超声波在空气中传播的速度v=340m/s ，若汽车是匀速行驶的，则根据图中可知，汽车在接收到P 1、P 2两个信号之间的时间内前进的距离是_________m ，汽车的速度是________m/s ． 图1 1．解：设测速仪扫描速度为v ′，因P 1、P 2在标尺上对应间隔为30小格，所以30 30v t '= =?格/s ． 测速仪发出超声波信号P 1到接收P 1的反射信号n 1．从图B 上可以看出，测速仪扫描12小格，所以测速仪从发出信号P 1到接收其反射信号n 1所经历时间12 0.4s t v '= =' ． 汽车接收到P 1信号时与测速仪相距1 168m 2 t S v ==声 ． 同理，测速仪从发出信号P 2到接收到其反射信号n 2，测速仪扫描9小格，故所经历时间29 0.3s t v = =' ．汽车在接收到P 2信号时与测速仪相距2251m 2t S v ==声． 所以，汽车在接收到P 1、P 2两个信号的时间内前进的距离△S=S 1－S 2=17m ． 从图B 可以看出，n 1与P 2之间有18小格，所以，测速仪从接收反射信号n 1到
超声信号P 2的时间间隔318 0.6s t v = =' ． 所以汽车接收P 1、P 2两个信号之间的时间间隔为12 30.95s 2 2 t t t t ?=++=． ∴汽车速度17.9S v t ?= =?m/s ． 2、利用超声波遇到物体发生反射，可测定物体运动的有关参量，图1—10（a ）中仪器A 和B 通过电缆线连接，B 为超声波发射与接收一体化装置，仪器A 和B 提供超声波信号源而且能将B 接收到的超声波信号进行处理并在屏幕上显示其波形． 现固定装置B ，并将它对准匀速行驶的小车C ，使其每隔固定时间T 0发射一短促的超声波脉冲，如图1—10（b ）中幅度较大的波形，反射波滞后的时间已在图中标出，其中T 和△T 为已知量，另外还知道该测定条件下超声波在空气中的速度为v 0，根据所给信息求小车的运动方向和速度大小． 图2 2．解：从B 发出第一个超声波开始计时，经 2 T 被C 车接收．故C 车第一次接收 超声波时与B 距离102 T S v =． 第二个超声波从发出至接收，经T ＋△T 时间，C 车第二车接收超声波时距B 为 202 T T S v +?= ，C 车从接收第一个超声波到接收第二个超声波内前进S 2－S 1，接收第 一个超声波时刻12 T t =，接收第二个超声波时刻为202 T T t T +?=+ ． 所以接收第一和第二个超声波的时间间距为2102 T t t t T ??=-=+ ． 故车速0 021002222 C v T Tv S S v T T t T T ??-== =+??+?．车向右运动． A B (a )
有关超声波测速的几个典型题
有关超声波测速的几个 典型题 Company number：【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】
有关超声波测速的几个典型题 1．如图所示，在京昆高速公路266 km 处安装了一台500万像素的固定雷达测速仪，可以准确抓拍超速车辆以及测量运动车辆的加速度．若B 为测速仪，A 为汽车，两者相距 355 m ，此时刻B 发出超声波，同时A 由于紧急情 况而急刹车，当B 接收到反射回来的超声波信号 时，A 恰好停止，且此时A 、B 相距335 m ，已知声速为340 m/s 。 （1）求汽车刹车过程中的加速度； （2）若该路段汽车正常行驶时速度要求在60km /h~110km/h ，则该汽车刹车前的行驶速度是否合法 答案：（1）10m/s 2；（2）v 0 = 72 km/h ，合法。 解析：（1）根据题意，超声波和汽车运动过程 的示意图，如图所示。 设超声波往返的时间为2 t ，汽车在 2 t 时间内，刹车的位移为 222 1）（t a x ==20m 当超声波与A 车相遇后，A 车继续前进的时间为t ，位移为222 1at x = =5m 则超声波在2 t 内的路程为2×（335+5）m = 680 m ， 由声速为340 m/s ，得t = 1 s ，解得汽车的加速度a = 10 m/s 2 （2）由A 车刹车过程中的位移 a v x 220= 解得刹车前的速度 v 0 = 20 m/s = 72 km/h 车速在规定范围内，是合法的。 2．在高速公路上常使用“超声波测速仪”测定车速，从而判断汽车是否超速行驶。“超声波测速仪”其实就是一种传感器，测速仪发出并接收超声波脉
如图是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图
如图是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图．测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度．图b中P1、P2是测速仪发出的超声波，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号．设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔△t=0.8s，超声波在空气中传播的速度是v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图b可知，图中每小格表示的时间是0.027秒，汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是13.6米． 分析：由题意可知，P1、P2的时间间隔为0.8秒，根据图b所示P1、P2的间隔的刻度值，即可求出图中每 小格表示的时间；以及P1、n1和P2、n2之间间隔的刻度值．可以求出P1、n1和P2、n2之间的时间，即超 声波由发出到接收所需要的时间．从而可以求出超声波前后两次从测速仪汽车所用的时间，结合声速，进 而可以求出前后两次汽车到测速仪之间的距离． 解答：解：P1、P2的间隔的刻度值为30个格，时间长为0.8秒，因此图中每小格表示的时间为t= 0.8s 30 =0.027s； 因为P1、n1之间间隔的刻度值为12，所以对应的时间为0.32秒；P2、n2之间间隔的刻度值9，所以对应 的这两点之间对应的时间为0.24秒． P1、n1之间的时间为超声波第一次从测速仪发出后遇到行进的汽车又回来所用的时间，所以超声波传播到 汽车所用的时间t1为0.16秒．由此可以求出汽车在接收到p1的信号时汽车与测速仪之间距离： S1=vt1=340m/s×0.16s=54.4m； 同理可求出汽车在接收P2信号时汽车与测速仪之间的距离：S2=vt2=340m/s×0.12s=40.8m． 由此可知，汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离：S=54.4m-40.8m=13.6m． 故答案为0.027，13.6． 点评：本题综合考查速度和声波的计算，确定声音传播的时间是本题的难点，注意紧扣公式然后找出相关 物理量才是解答本题的关键．
超声波测速
专题：超声波测速 解题思路，牢牢抓住以下两点 1.时间的对称性 2.分析小车的运动过程 【典型例题】.为了防止汽车超速，现在公路各路段都装有测速仪，它发出超声波并能接受回声来监测汽车的速度，长江大桥西200米左右处就有一超声波测速仪，此路段限速60km/h，现有一辆汽车自东向西远离测速仪行驶，当汽车距离测速仪64m时，测速仪向其发射超声波后经0.4s后接受到回声，设当时气温下，声速为340m/s，请你帮助算出此车有没有超速？ 【变式1】为了监控车辆是否超过规定的最高车速，交通部常用测速仪来检测，若一汽车面向测速仪驶来，测速仪第一次从发出至接收到超声波信号用了0.4s，第二次从发出至接收到超声波信号用了0.3s，两次信号发出的时间间隔是1s，则被测汽车速度是多少?(设空气中超声波的速度为340m/s）
【典型例题】．在高速公路上常使用“超声波测速仪”测定车速，从而判断汽车是否超速行驶。“超声波测速仪”其实就是一种传感器，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到信号的时间差的变化，测出被测物体速度。下图甲中仪器A和B通过电缆线连接，B为超声波发射与接收一体化装置，仪器A能够将装置B发出和接收到的超声波以脉冲波形显示在屏幕上。现固定装置B，并将它对准直线匀速行驶的小车C的尾部，使其每隔固定时间T0发射一短促超声波脉冲，下图乙中幅度较大的波形。反射波（图乙中幅度较小的波形）滞后的时间已在图中标出，其中T0和△T为已知量，另外还知道该测定条件下超声波在空气中的速度为v0，求小车的速度大小。 【变式1】如图a是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号。根据发出信号和接收反射信号间的时间差，测出汽车运动的速度。图b中，P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔△t= 1.0s，超声波在空气中传播的速度是v= 340m/s。若汽车是匀速行驶的，则根据图2可知，汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是____________m，汽车的速度是___________m/s。（第二空保留三位有效数字）
超声波测速仪
1.如图示，用超声波测速仪能准确则定快速飞行的网球速度．测速过程中传播信息的超声波是由测速仪（选填“网球”或“测速仪”）发出的，超声波测速仪应用了超声波反射的特点；超声波测速仪的基本原理是回声测距 解：网球不会发出超声波，超声波由测速仪发出， 声和光一样能进行反射，反射到测速仪，测速仪接收，利用回声测距的原理来工作的．故答案为：测速仪；反射；回声测距． 2.交通部门常用测速仪来检测车速．测速原理是测速仪前后两次发出并接收到被测车反射回的超声波信号，再根据两次信号的时间差，测出车速，如图甲．某次测速中，测速仪发出与接收超声波的情况如图乙所示，x表示超声波与测速仪之间的距离．则该被测汽车速度是（假设超声波的速度为340米/秒，且保持不变）（） A．28.33米/秒B．13.60米/秒C．14.78米/秒D．14.17米/秒 2.【答案】D 【解析】第一个三角形图案表示，超声波从测速仪上发出，距离测速仪越来越远，所以图线斜向上，到汽车时，时间刚好是0.16s，然后再返回，波与测速仪的距离越来越近，故其图线斜向下，由此可计算出测速仪到汽车的距离为s1=0.16s×340m/s；同理，第二个三角形可表示，测速仪到汽车的距离为 s2=0.12s×340m/s；故两次汽车前进了△s=s1－s2=0.16s×340m/s－0.12s×340m/s=13.6m；中间间隔的时间是从0.16s时刻到1.12s时刻，故时间为△t=1.12s－0.16s=0.96s；故汽车的速度为 v==14.17m/s。 考点：速度的计算。 3.公路边的超声波测速仪在不停地测过往车辆的速度，但是司机却听不到测速仪发出的声音，这是因为（） A．公路上过往车辆太多，噪声太大，压住了超声波测速仪发出的声波 B．超声波的频率在20Hz以下，人不能感知 C．超声波的频率在20000Hz以上，人不能感知 D．有汽车玻璃窗隔着，听不到
超声波测车速练习
超声波测车速练习标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]
超声波测车速 1如图（a），停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信 号间的时间差，就能测出车速．在图（b）中， P 1、P 2 是测速仪先后发出的超声波信号，n 1 n 2 分别 是测速仪检测到的P 1、P 2 经反射后的信号．设测 速仪匀速扫描，P 1与P 2 之间的时间间隔为秒，超 声波在空气中传播的速度为340米/秒，假设被测汽车沿直线匀速行驶． （1）图b中每小格表示的时间是 s． （2）测速仪第一次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （3）测速仪第二次发出的信号到被测汽车收到时，汽车距测速仪的距离是多少？ （4）汽车的速度是多少m/s 2．高速公路上常用超声波测速仪来测量汽车速度。某次检测时，第一次发出信号到接收到超声波返回信号，用时，如图所示。第二次发出到接收到返回信号用时，两次发出信号时间间隔是1s。（假设超声波的速度为340m/s，且保持不变）求：（1）题目中被测汽车第一次接收到超声波时，汽车到超声波测速仪的距离S1是多少（2）被测汽车两次接收到超声波的距离差S3是多少（3）被测汽车的速度是多大 3.如图（a）所示，停在公路旁的公安巡逻车利用超声波可以监测车速：巡逻车上测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，就能测出车速．在图 （b）中，P 1、P 2 是测速仪先后发出的超声波信号，n 1 n 2 分别是测速仪检测到的P 1 、P 2 经反 射后的信号．设测速仪匀速扫描，P 1与P 2 之间的时间间隔为秒，超声波在空气中传播的速 度为340米/秒，则被测车的车速为（）