多普勒效應(yīng)的原理及應(yīng)用

1、多普勒效應(yīng)原理及其應(yīng)用摘要：多普勒效應(yīng)是波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)觀察者接收到的波的頻率與波源發(fā)出不同頻率的現(xiàn)象。本文首先介紹聲波和光波中多普勒效應(yīng)的原理，然后結(jié)合原理闡述多普勒效應(yīng)在我們現(xiàn)在生活中的廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)；原理；應(yīng)用引言多普勒效應(yīng)是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴約翰多普勒而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。多普勒認(rèn)為，物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移）。在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低（紅移）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，

2、可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動(dòng)現(xiàn)象（包括光波）都存在多普勒效應(yīng)。正文1多普勒效應(yīng)的原理波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。假設(shè)原有波源的波長(zhǎng)為入，波速為c,觀察者移動(dòng)速度為v：當(dāng)觀察者走近波源時(shí)觀察到的波源頻率為（c+v）/入，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為（c-v）/入。1. 1聲波中的原理設(shè)聲源的頻率為V,聲波在媒質(zhì)中的速度為V,波長(zhǎng)入=V/V。聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與波源是否運(yùn)動(dòng)無關(guān)，故總是

3、以決定于媒質(zhì)特性的速度V來傳播。波的頻率數(shù)值總是等于每秒鐘通過媒質(zhì)中某一固定點(diǎn)的完整波形的數(shù)目。下面分三種情況討論：一，聲源不動(dòng)，觀察者以速度VB相對(duì)于媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即VB0,Vs=0.此時(shí)觀測(cè)者不是停在原地等待一個(gè)個(gè)的波來“沖擊”，而是迎上去拾取更多的波，那么觀測(cè)者接收到的聲波的頻率為V=（V+VB/入=（V+VB）/V*v（1）上式表明當(dāng)觀測(cè)者向著靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的聲波頻率為聲源頻率的（1+v/V）倍，故聽到的聲調(diào)變高。反之，當(dāng)觀測(cè)者背著靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，所接收到的聲波頻率為v=（V-VB）/V*入（2）聲波的頻率低于聲源頻率，故聽到的音調(diào)變低。,觀察者不動(dòng)，聲源以速度Vs相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)

4、動(dòng)，即VB=0,Vsw0時(shí)。圖1如聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)，這時(shí)vS0.假定VSVV,因?yàn)槁曀賰H決定于介質(zhì)的性質(zhì)，與聲源的運(yùn)動(dòng)與否無關(guān).所以在一個(gè)周期T內(nèi)聲源在S點(diǎn)發(fā)出的振動(dòng)向前傳播的距離等于波長(zhǎng)入.如聲源不動(dòng)，則波形如圖1中實(shí)線所示；但若聲源運(yùn)動(dòng)，則在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)聲源在波的傳播方向上通過一段路程vST而達(dá)到S點(diǎn)，結(jié)果整個(gè)波形如圖3中點(diǎn)S、B間的虛線所示.由于聲源做勻速運(yùn)動(dòng)，所以，波形無畸彎.只是波長(zhǎng)變小，其值為=WF=入VsT=VT-Vs(3)T=(vVs)(1/y).(4)所以觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為Y=V/入=V/(VVs)Y.(5)該式表明：當(dāng)聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收的頻

5、率是聲源頻率的v/(vVs)倍.如聲源背離觀察者運(yùn)動(dòng)，則Vsv0,所以有YVY,即觀察者接收到的頻率比聲源頻率降低了.現(xiàn)在我們就不難明白前述火車相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)音調(diào)變化的本質(zhì)原因了.三，觀察者和聲源都相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即VSW0,VB0。從以上所討論的兩種情況中，我們不難看出，觀察者接收到聲波的頻率為y=(v+vB)/(VVs)/Y=(v+vB)/(vVs)y.(6)綜上所述，不論是二者誰運(yùn)動(dòng)，只要兩者互相接近接收到的聲波頻率就高于聲源頻率；互相遠(yuǎn)離，接收到的聲波頻率低于聲源振動(dòng)頻率。以上討論是假設(shè)聲源與觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)發(fā)生在二者連線上。若運(yùn)動(dòng)方向不在二者的連線上，分析表明，波源或觀測(cè)者在垂直于連線方向的

6、運(yùn)動(dòng)不影響接收頻率，即聲學(xué)中沒有橫向多普勒效應(yīng)。1.2光學(xué)中的原理圖2觀察運(yùn)動(dòng)光源發(fā)出的光頻率如圖2所示觀察者在坐標(biāo)系原點(diǎn)觀察一沿x軸正方向以速度u運(yùn)動(dòng)的光源發(fā)光的頻率，觀察得到的光頻（其中u為光源的運(yùn)動(dòng)速度大?。Ｈ艄庠催\(yùn)動(dòng)速度u與x軸方向相反，則觀察者觀察到的光頻率f與光源固有頻率f0間的關(guān)系變?yōu)槎?-cos2多普勒效應(yīng)的應(yīng)用多普勒效應(yīng)在近代科學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。它常用于測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體視線速度，如雷達(dá)向飛機(jī)發(fā)射已知頻率的電磁波并接收回波，由回波與發(fā)射波頻率之差可定出飛機(jī)以多大的速度靠近雷達(dá)。同理，可用微波監(jiān)測(cè)汽車行駛速度，觀測(cè)人造衛(wèi)星發(fā)射的電磁波的頻率變化，以判斷衛(wèi)星的運(yùn)行情況，測(cè)量來自星體

7、的光的多普勒頻移來確定星體自轉(zhuǎn)和運(yùn)行的速度等等。2.1激光流速儀利用多普勒效應(yīng)原理研制的“激光流速儀”可測(cè)量氣體、液體的流速。該儀器的基本原理如下圖所示圖4從激光器L發(fā)出單色光來，經(jīng)分光板A后，兩束光都在流經(jīng)O處的雜質(zhì)微粒上發(fā)生散射，因第一路入2,方向相反，故兩種散射光的射光AO和流體速度分量ucos1,方向相同，而BO與流體速度分量ucos多普勒頻移是不同的，其頻率分別是V1和V2,應(yīng)用縱向多普勒效應(yīng)公式，由于u/c很小，得Vr(1-)Vsc把公式中的c換成流體中光速v=c/n,式中的u換成縱向分量ucos1,ucos2,ucosi、ucos：2、Vi=(1-)VsV2=(1)VsVV故探測(cè)

8、器接收到的兩束散射光頻率之差為u.：V=V2-V1=Vs(cos-1cos-2)Vnu.：v=2cos;若。1=。2,則得九九u二、V那么，流速為2ncos：頻率相近的兩散射光在探測(cè)器上相互作用而產(chǎn)生拍現(xiàn)象，光電探測(cè)器測(cè)出每秒鐘光強(qiáng)變化頻率即拍頻V。已知九，n,s,就可以測(cè)出流速u。這一測(cè)量方法是非接觸式的，不影響流體流動(dòng)情況。激光流速儀的精度高，測(cè)量范圍大，而且可以逐點(diǎn)測(cè)出瞬時(shí)流速，是研究流體力學(xué)問題的有力工具。2.2 多普勒雷達(dá)20世紀(jì)70年代以來，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，脈沖多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、靶場(chǎng)測(cè)量、武器火控和氣象探測(cè)等方面

9、，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達(dá)的預(yù)警飛機(jī)，已成為對(duì)付低空轟炸機(jī)和巡航導(dǎo)彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達(dá)還用于氣象觀測(cè)，對(duì)氣象回波進(jìn)行多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況。脈沖多普勒雷達(dá)具有下列特點(diǎn)：采用可編程序信號(hào)處理機(jī)，以增大雷達(dá)信號(hào)的處理容量、速度和靈活性，提高設(shè)備的復(fù)用性，從而使雷達(dá)能在跟蹤的同時(shí)進(jìn)行搜索并能改變或增加雷達(dá)的工作狀態(tài)，使雷達(dá)具有對(duì)付各種干擾的能力和超視距的識(shí)別目標(biāo)的能力；采用可編程序柵控行波管，使雷達(dá)能工作在不同脈沖重復(fù)頻率，具有自適應(yīng)波形的能力，能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)選用低、中或高三種脈沖重復(fù)頻率的波形，并可獲得各種工作狀態(tài)的最佳性能

10、；采用多普勒波束銳化技術(shù)獲得高分辨率，在空對(duì)地應(yīng)用中可提供高分辨率的地圖測(cè)繪和高分辨率的局部放大測(cè)繪，在空對(duì)空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊(duì)的群目標(biāo)。2.3 醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是我們平常說的彩超。彩超簡(jiǎn)單的說就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先說說超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體(即探頭和反射體)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多普勒和彩色多普勒血流圖像。彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上

11、，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。由此可見，彩色多普勒超聲(即彩超)既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。為了檢查心臟、血管的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，了解血液流動(dòng)速度，可以通過發(fā)射超聲來實(shí)現(xiàn)。由于血管內(nèi)的血液是流動(dòng)的物體，所以超聲波振源與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，反射波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因而在單位時(shí)向里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流運(yùn)速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測(cè)定血液的流速。我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它

12、對(duì)心血管的疾病診斷具有一定的價(jià)值，特別是對(duì)循環(huán)過程中供氧情況，閉鎖能力，有無紊流，血管粥樣硬化等均能提供有價(jià)值的診斷信息。超聲多普勒法是這樣診斷心臟的：超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號(hào)，激勵(lì)發(fā)射換能器探頭，產(chǎn)生連續(xù)不斷的超聲波，向人體心血管器官發(fā)射，當(dāng)超聲波束遇到運(yùn)動(dòng)的臟器和血管時(shí)，便產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射信號(hào)就為換能器所接受，就可以根據(jù)反射波與發(fā)射的頻率差異求出血流速度，根據(jù)反射波以頻率是增大還是減小判定血流方向。為了使探頭容易對(duì)準(zhǔn)被測(cè)血管，通常采用一種板形雙疊片探頭。3結(jié)語本文對(duì)多普勒效應(yīng)的相關(guān)公式進(jìn)行了推導(dǎo)，具體地闡述了多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原理。而又通過對(duì)多普勒效應(yīng)實(shí)例的列舉，形象地呈現(xiàn)出這一偉大現(xiàn)象。多普勒效應(yīng)在臨床、天文各個(gè)方面都有著積極地運(yùn)用。參考文獻(xiàn)：1汪源源超聲多普勒信號(hào)的頻譜分析期刊論文卜聲學(xué)技術(shù)1998(02)2余波.張占龍直接數(shù)字合成技術(shù)的超聲波發(fā)射電路期刊論文卜重