激光多普勒音樂(lè)盒的基本原理與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),應(yīng)用物理學(xué)論文摘要：利用雙圓盤光柵動(dòng)靜結(jié)合的方式設(shè)計(jì)了激光多普勒音樂(lè)盒演示儀器.將雙光柵放在激光源與光信號(hào)轉(zhuǎn)換器之間,按下琴鍵,改變旋轉(zhuǎn)光柵的運(yùn)動(dòng)速度,動(dòng)靜光柵發(fā)生光的多普勒效應(yīng).經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器使該信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào),使用單片機(jī)進(jìn)行頻率的采集及運(yùn)算處理,最終通過(guò)揚(yáng)聲器播放出樂(lè)音.本文關(guān)鍵詞語(yǔ)：激光多普勒效應(yīng);雙光柵;MSP430單片機(jī);Abstract：ThemusicboxbasedonlaserDopplereffectwasdesignedbymeansofdynamicandstaticcombinationofdouble-diskgratings.Thedoublegratingswereplacedbetweenthelasersourceandtheopticalsignalconverter.Thekeywaspressedtochangethemovingspeedoftherotatinggratingsothatboththedynamicandthestaticgratingformedalightbeat,i.e.,theDopplereffectofthelightoccured.Andthesignalconverterturneditintoanelectricalsignal.Amusicaltonethroughaspeakercouldbetransmittedfinallybyusingasingle-chipmicrocomputerforfrequencyacquisitionandarithmeticprocessing.Keyword：laserDopplereffect;doublegratings;MSP430microcomputer;激光的多普勒效應(yīng)主要應(yīng)用在微小振動(dòng)測(cè)量[1]、速度測(cè)量[2]等方面.雙光柵作為教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器的演示部件,例如長(zhǎng)方形光柵[3],實(shí)驗(yàn)結(jié)果還比擬令人滿意,但演示經(jīng)過(guò)中,由于手動(dòng)速度不穩(wěn)定,動(dòng)光柵的運(yùn)動(dòng)難以定量測(cè)量,只能定性演示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,且運(yùn)動(dòng)速度與頻率之間的關(guān)系難以確定.為了解決上述問(wèn)題,嘗試使用步進(jìn)電機(jī)對(duì)其自動(dòng)控制,由于滑軌長(zhǎng)度有限,步進(jìn)電機(jī)對(duì)動(dòng)光柵控制時(shí),存在一定的加速時(shí)間,很難到達(dá)使動(dòng)光柵勻速速率運(yùn)動(dòng).因而得出的結(jié)果往往不連續(xù).采用雙圓盤光柵動(dòng)靜結(jié)合的形式設(shè)計(jì)激光多普勒音樂(lè)盒演示儀可避免上述問(wèn)題,單獨(dú)控制電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn),提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與連續(xù)性.同時(shí)參加了數(shù)碼管,可直接顯示采集信號(hào)的初始頻率.與傳統(tǒng)方式直接放出該頻率的聲音相比,該設(shè)備對(duì)信號(hào)頻率進(jìn)行處理,觀眾聽到悅耳的琴音.1、激光多普勒音樂(lè)盒的基本原理1.1、激光多普勒效應(yīng)的基本原理當(dāng)激光照射到運(yùn)動(dòng)的光柵上時(shí),光的頻率會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為位移光柵的多普勒頻移.其頻移量與光柵的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān).但是由于光的頻率很高,其多普勒頻移量難以直接測(cè)量.采用拍的方式方法,即把已頻移的和未頻移的光束相互平行疊加,以構(gòu)成光拍.由于拍頻較低,容易測(cè)得,通過(guò)拍頻即可檢測(cè)出多普勒頻移量.采用雙光柵(動(dòng)光柵和靜光柵)來(lái)實(shí)現(xiàn)光拍.1.1.1、位移光柵的多普勒頻移與光柵運(yùn)動(dòng)速度的關(guān)系當(dāng)激光照射在靜止光柵上時(shí),由于光柵上縫本身的衍射作用和縫之間的干預(yù),通過(guò)光柵后光的強(qiáng)度出現(xiàn)周期性變化.衍射光主極大位置由光柵方程給出:式中,整數(shù)k為主極大級(jí)數(shù),d為光柵常量,為衍射角,為光波波長(zhǎng).假如光柵在y方向以速度v移動(dòng),則從光柵出射的光的波陣面也以速度v在y方向移動(dòng).因而在不同時(shí)刻,對(duì)應(yīng)于同一級(jí)的衍射光,從光柵出射時(shí),在y方向也有vt的位移量,見圖1.該位移量對(duì)應(yīng)于出射光波相位的變化量為(t),式中角知足光柵方程(1)式.將(1)式代入(2)式后得:式中d=2v/d.由此可見,對(duì)于同一級(jí)衍射光,動(dòng)光柵相對(duì)于靜光柵有多普勒頻移量,即如此圖2所示.圖1位移光柵的多普勒頻移圖2動(dòng)光柵的衍射光1.1.2、多普勒頻移的檢測(cè)光頻率很高,為了在光頻0中檢測(cè)出多普勒頻移量,必須采用拍的方式方法,即把已頻移的和未頻移的光束相互平行疊加,以構(gòu)成光拍.由于拍頻較低,容易測(cè)得,通過(guò)拍頻即可檢測(cè)出多普勒頻移量.由光拍信號(hào)頻率可知,F拍與光頻率無(wú)關(guān),且當(dāng)光柵密度n為常量時(shí),只正比于光柵轉(zhuǎn)動(dòng)速度.式中,v為光柵轉(zhuǎn)動(dòng)速度,n=1/d為光柵密度.實(shí)驗(yàn)構(gòu)成光拍的方式方法:采用2片完全一樣的圓盤光柵平行接近緊貼,B片靜止,A片相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng).靜止光柵只起衍射作用,動(dòng)光柵起到頻移的作用,因而激光通過(guò)雙光柵后所構(gòu)成的衍射光,即為2種以上不同頻率而又平行的光束.由于兩光柵靠得很近,這樣2束光直接而又簡(jiǎn)單地構(gòu)成了光拍,如此圖3所示.當(dāng)此光拍信號(hào)進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換裝置(硅光電池)后,便可輸出光電流.由此通過(guò)硅光電池將光拍信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),該電信號(hào)的頻率即為光拍的拍頻.拍頻與光柵的運(yùn)動(dòng)速度和光柵常量有關(guān),與光的頻率無(wú)關(guān).該信號(hào)經(jīng)放大電路進(jìn)行放大后,推動(dòng)揚(yáng)聲器便可發(fā)出聲音.對(duì)于選定的雙光柵,其光柵常量固定,因而揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音頻率與動(dòng)光柵的運(yùn)動(dòng)速度成線性關(guān)系.當(dāng)光柵運(yùn)動(dòng)速度不同時(shí),揚(yáng)聲器將發(fā)出不同頻率的聲音.但這一音頻的頻率太高,聽起來(lái)音調(diào)較高并不悅耳.若要發(fā)出悅耳的音樂(lè),則需要將信號(hào)的頻率降低.圖3雙光柵衍射示意圖1.2、儀器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)演示儀主要由5個(gè)部分組成:信號(hào)發(fā)生與轉(zhuǎn)換模塊、小信號(hào)放大模塊、單片機(jī)信號(hào)采集與降頻模塊、按鍵模塊和采集頻率顯示模塊,如此圖4所示.圖4儀器整體模塊圖1.2.1、信號(hào)發(fā)生與轉(zhuǎn)換模塊使用有較好視覺(jué)效果的綠色激光作為儀器的輸入光源,激光功率為35mW,理論上講激光功率越大效果越明顯,但由于光柵本身材料的影響,功率過(guò)高激光會(huì)直接穿透光柵,甚至燒毀光柵.采用轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤光柵、靜止圓盤光柵和無(wú)音電機(jī),為多普勒效應(yīng)的發(fā)生做準(zhǔn)備.2片圓盤光柵的形狀規(guī)格要完全一樣.其排列順序如下:光柵A固定在電機(jī)的聯(lián)軸器上作為能夠旋轉(zhuǎn)的動(dòng)光柵,光柵B在其后約1mm放置,做光拍頻使用.激光穿過(guò)旋轉(zhuǎn)的光柵,把頻移后的衍射光射向靜光柵.衍射光透過(guò)靜光柵后,發(fā)生光的多普勒效應(yīng),在光電池前構(gòu)成光混頻.光電池主要用做信號(hào)轉(zhuǎn)換[4],將接收的光混頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電信號(hào)作為下一模塊的輸入.實(shí)驗(yàn)中,電機(jī)選取尤為重要.假如電機(jī)工作時(shí)噪音超過(guò)45dB,會(huì)使后續(xù)的測(cè)量產(chǎn)生較大誤差(主要具體表現(xiàn)出在頻率采集).故選用聲音強(qiáng)度為30dB左右的無(wú)音電機(jī),符合工作指標(biāo).圓盤光柵常量為6.655mm-1.1.2.2、小信號(hào)放大模塊小信號(hào)放大模塊[5]由信號(hào)功率放大電路構(gòu)成,使用5V,1A電源模塊為其供電.主要功能為對(duì)輸入信號(hào)的濾波及放大,放大倍數(shù)約為200.1.2.3、單片機(jī)信號(hào)采集與降頻模塊儀器的核心信號(hào)處理器選用MSP430單片機(jī)[6],單片機(jī)信號(hào)采集與降頻模塊主要是對(duì)功放輸出的信號(hào)進(jìn)行采集、顯示和運(yùn)算處理.詳細(xì)功能如下:首先是對(duì)按鍵的檢測(cè),參加了防抖動(dòng)和誤按的功能.檢測(cè)由放大電路經(jīng)過(guò)不同按鍵按下時(shí)的不同頻率段的頻率,但是該頻率較高聽起來(lái)聲音尖銳刺耳,不屬于樂(lè)音范疇,為此將檢測(cè)到的信號(hào)的頻率降低到原來(lái)的1/10.1.2.4、按鍵模塊此模塊的功能:為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的開關(guān),為頻率段的檢測(cè)及降頻輸出.電路板上焊有2排按鍵,每排7個(gè).第1排的7個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)控制著電機(jī)兩端的7個(gè)不同電壓.7個(gè)不同的電壓對(duì)應(yīng)著電機(jī)的7個(gè)不同的轉(zhuǎn)速,也即對(duì)應(yīng)的是信號(hào)源發(fā)出的7個(gè)不同頻率段的頻率.第2排的7個(gè)按鍵,用來(lái)控制單片機(jī)檢測(cè)并降低7個(gè)不同頻段的頻率.2排按鍵的上下位置是逐一對(duì)應(yīng).只要同時(shí)按下對(duì)應(yīng)的2個(gè)按鍵時(shí),揚(yáng)聲器才能接收到被降低頻率的信號(hào),發(fā)出1個(gè)音律的聲音.依次按下7個(gè)不同按鍵能夠發(fā)現(xiàn)這是do,re,mi,fa,so,la,xi的音律.考慮美觀等因素,把上下2個(gè)按鍵嵌入到1個(gè)琴鍵當(dāng)中.通俗地講,這2個(gè)按鍵由1個(gè)琴鍵控制.第1排7個(gè)按鍵(如此圖5所示):采用5V電源供電與電阻分壓的方式來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速.7個(gè)按鍵端對(duì)應(yīng)的8個(gè)電阻的阻值分別為:150,10,10,10,10,10,10,30.7個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩端的電壓分別為:0.785,0.680,0.575,0.475,0.385,0.305,0.230V.第2排7個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)的7個(gè)頻率段為:9~7kHz,7~6kHz,6~5kHz,5~4kHz,4~3kHz,3~2kHz,2~1kHz.頻率段的參加是為了讓系統(tǒng)具有較強(qiáng)的準(zhǔn)確性與嚴(yán)謹(jǐn)性,保證它們之間逐一對(duì)應(yīng)的關(guān)系,防止琴鍵使用的紊亂.圖5各按鍵的分壓電路1.2.5、頻率采集的顯示模塊激光多普勒音樂(lè)盒采用74HC595數(shù)碼管模塊LED顯示頻率,使用4個(gè)貼片74H595驅(qū)動(dòng),數(shù)碼管每段均帶電阻限流以保證亮度均勻,并且靜態(tài)驅(qū)動(dòng),在數(shù)字不變的情況下,單片機(jī)不用一直刷新,非動(dòng)態(tài)掃描,節(jié)約系統(tǒng)資源.V-正極,GND負(fù)極,SDI數(shù)據(jù),移位時(shí)鐘SCLK,鎖存LOAD,僅需3根線與單片機(jī)接口,節(jié)約IO口.74HC595數(shù)碼管模塊LED顯示和MSP430的組合運(yùn)用,要考慮的問(wèn)題主要為IO口分配,這樣串行通信的優(yōu)勢(shì)就具體表現(xiàn)出出來(lái).將采集信號(hào)通過(guò)74HC595數(shù)碼管模塊進(jìn)行顯示,愈加直觀,同時(shí)也方便對(duì)聲音頻率范圍進(jìn)行校準(zhǔn).2、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)中,當(dāng)從左至右按下琴鍵時(shí),發(fā)現(xiàn)電機(jī)的速度越來(lái)越快,并且聽到的聲音的音調(diào)也越來(lái)越高.在一定范圍內(nèi),由于電機(jī)兩端電壓與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比例,通過(guò)研究電機(jī)兩端的電壓與儀器發(fā)出聲音頻率的關(guān)系,能夠間接得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速與聲音的頻率關(guān)系.從圖6中能夠看出,電機(jī)兩端的電壓與儀器發(fā)出的聲音頻率并不是嚴(yán)格的正比例關(guān)系,電機(jī)需要開啟電壓,只要到達(dá)一定的電壓值之后,電機(jī)才會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng),電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)控制電壓減去電機(jī)啟動(dòng)電壓之差成正比關(guān)系.對(duì)此可驗(yàn)證式(5),聲音頻率與光柵轉(zhuǎn)動(dòng)速度之間成正比關(guān)系.圖6電機(jī)兩端電壓與聲音頻率的關(guān)系3、實(shí)驗(yàn)方式方法及注意事項(xiàng)儀器初始圖如此圖7所示,儀器運(yùn)行圖如此圖8所示.圖7儀器初始圖圖8儀器運(yùn)行圖首先打開總電源,讓激光穿過(guò)動(dòng)靜光柵,使衍射光打到硅光電池中心處.按下琴鍵7,電機(jī)帶動(dòng)動(dòng)光柵轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)單片機(jī)開場(chǎng)檢測(cè)信號(hào),由于動(dòng)靜光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng),發(fā)生多普勒效應(yīng),衍射光在硅光電池前構(gòu)成光混頻(衍射光斑有明暗變化).光電池把采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào),功放電路對(duì)微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大.此時(shí),撥開調(diào)試開關(guān),檢測(cè)聲音能否響亮、清楚明晰;假如聲音較小且有雜音,則講明激光沒(méi)有對(duì)準(zhǔn)光電池,需要繼續(xù)調(diào)節(jié)光電池,使衍射光斑處于硅光電池正中心處,直至聲音響亮清楚明晰.斷開調(diào)試開關(guān),打開音律開關(guān).MSP430單片機(jī)對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采集和頻率的處理,通過(guò)揚(yáng)聲器輸出聲音信號(hào).注意事項(xiàng):1)實(shí)驗(yàn)開場(chǎng)時(shí),打開激光電源,讓激光穿過(guò)動(dòng)、靜圓盤光柵后構(gòu)成肉眼可見的最亮的光斑,使光斑正對(duì)硅光電池的中心點(diǎn),調(diào)節(jié)靜光柵和動(dòng)光柵的相對(duì)位置,使兩光柵在不相接觸的情況下盡可能平行.否則,按下按鍵不能發(fā)出對(duì)應(yīng)頻段的聲音.2)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過(guò)中,先按下第1排按鍵中的1個(gè),持續(xù)按住2s,待電機(jī)到達(dá)相應(yīng)轉(zhuǎn)速時(shí)(電機(jī)有加速經(jīng)過(guò)),再按下第2排相對(duì)應(yīng)的按鍵(1個(gè)琴鍵控制2個(gè)按鍵,按鍵是上下對(duì)應(yīng)的),當(dāng)?shù)?排按鍵按下時(shí),單片機(jī)開場(chǎng)檢測(cè)輸入信號(hào)的頻率,假如符合該按鍵對(duì)應(yīng)的頻率段,則單電機(jī)做相應(yīng)運(yùn)算后輸出.4、結(jié)束語(yǔ)基于多普勒效應(yīng)的音樂(lè)盒集趣味性、實(shí)用性于一體,采用類似于鋼琴鍵的按鍵控制,操作簡(jiǎn)易.通過(guò)音樂(lè)對(duì)多普勒效應(yīng)進(jìn)行更直觀地演示,能帶動(dòng)學(xué)生介入實(shí)驗(yàn)并對(duì)探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的原理,具有很好的啟發(fā)作用.以下為參考文獻(xiàn)：[1]杜振輝,李淑清,蔣誠(chéng)志,等.激光光柵多普勒效應(yīng)微小振動(dòng)測(cè)量[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2004,24(6):834-837.[2]張艷艷,鞏軻,何淑芳,等.激光多普勒測(cè)速技術(shù)進(jìn)展