多普勒效應(yīng)的原理及應(yīng)用

-.z.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運動時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。多普勒效應(yīng)；原理；應(yīng)用引言多普勒效應(yīng)是為紀念奧地利物理學家及數(shù)學家克里斯琴·約翰·多普勒而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。多普勒認為，物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高(藍移)。在運動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，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/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。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接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。假設(shè)原有波源的波長為λ，波速為c，觀察者移動速度為v：當觀察者走近波源時觀察到的波源頻率為〔c+v〕/λ，如果觀察者遠離波源，則觀察到的波源頻率為〔c-v〕/λ。1．1聲波中的原理設(shè)聲源的頻率為，聲波在媒質(zhì)中的速度為V，波長λ=V/。聲波在媒質(zhì)中傳播的速度與波源是否運動無關(guān)，故總是以決定于媒質(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*一固定點的完整波形的數(shù)目。下面分三種情況討論：一，聲源不動，觀察者以速度VB相對于媒質(zhì)運動，即VB≠0，Vs=0.此時觀測者不是停在原地等待一個個的波來"沖擊〞，而是迎上去拾取更多的波，則觀測者接收到的聲波的頻率為'=〔V+VB〕/λ=[(V+VB)/V]*(1)上式說明當觀測者向著靜止的聲源運動時，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，當觀測者背著靜止的聲源運動時，所接收到的聲波頻率為'=[〔V-VB〕/V]*λ(2)聲波的頻率低于聲源頻率，故聽到的音調(diào)變低。二，觀察者不動，聲源以速度Vs相對于介質(zhì)運動，即VB＝0，Vs≠0時。圖1如聲源向著觀察者運動，這時ｖＳ＞0．假定ｖＳ＜ｖ，因為聲速僅決定于介質(zhì)的性質(zhì)，與聲源的運動與否無關(guān)．所以在一個周期T內(nèi)聲源在S點發(fā)出的振動向前傳播的距離等于波長λ．如聲源不動，則波形如圖1中實線所示；但假設(shè)聲源運動，則在一個周期的時間內(nèi)聲源在波的傳播方向上通過一段路程ｖＳT而到達S′點，結(jié)果整個波形如圖3中點S′、B′間的虛線所示．由于聲源做勻速運動，所以，波形無畸彎．只是波長變小，其值為λ′＝＝λ－VsＴ＝ｖＴ－Vs(3)Ｔ＝〔ｖ－Vs〕〔1／ν〕．(4)

所以觀察者在單位時間內(nèi)接收到的波數(shù)為ν＝ｖ/λ′＝[ｖ/〔ｖ－Vs〕]ν．(5)

該式說明：當聲源向著觀察者運動時，觀察者接收的頻率是聲源頻率的ｖ／〔ｖ－Vs〕倍．如聲源背離觀察者運動，則Vs＜0，所以有ν′＜ν，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觀察者運動時音調(diào)變化的本質(zhì)原因了．三，觀察者和聲源都相對運動，即ｖＳ≠0，VB≠0。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ν′＝〔ｖ＋ｖＢ〕／[〔ｖ－Vs〕／ν]＝［〔ｖ＋ｖＢ〕／〔ｖ－Vs〕］ν．(6)綜上所述，不管是二者誰運動，只要兩者互相接近接收到的聲波頻率就高于聲源頻率；互相遠離，接收到的聲波頻率低于聲源振動頻率。以上討論是假設(shè)聲源與觀測者的運動發(fā)生在二者連線上。假設(shè)運動方向不在二者的連線上，分析說明，波源或觀測者在垂直于連線方向的運動不影響接收頻率，即聲學中沒有橫向多普勒效應(yīng)。1.2光學中的原理圖2觀察運動光源發(fā)出的光頻率如圖2所示觀察者在坐標系原點觀察一沿*軸正方向以速度u運動的光源發(fā)光的頻率,觀察得到的光頻率(其中u為光源的運動速度大小)。假設(shè)光源運動速度u與*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)椤?多普勒效應(yīng)的應(yīng)用多普勒效應(yīng)在近代科學中有著廣泛的應(yīng)用。它常用于測量運動物體視線速度，如雷達向飛機發(fā)射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以多大的速度靠近雷達。同理，可用微波監(jiān)測汽車行駛速度，觀測人造衛(wèi)星發(fā)射的電磁波的頻率變化，以判斷衛(wèi)星的運行情況，測量來自星體的光的多普勒頻移來確定星體自轉(zhuǎn)和運行的速度等等。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〞可測量氣體、液體的流速。該儀器的根本原理如以下圖所示圖3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，因第一路入射光AO和流體速度分量ucos，方向一樣，而BO與流體速度分量ucos，方向相反，故兩種散射光的多普勒頻移是不同的，其頻率分別是ν1和ν2，應(yīng)用縱向多普勒效應(yīng)公式，由于u/c很小，得把公式中的c換成流體中光速v=c/n，式中的u換成縱向分量ucos，ucos，故探測器接收到的兩束散射光頻率之差為假設(shè)，則得則，流速為頻率相近的兩散射光在探測器上相互作用而產(chǎn)生拍現(xiàn)象，光電探測器測出每秒鐘光強變化頻率即拍頻。，n，，就可以測出流速u。這一測量方法是非接觸式的，不影響流體流動情況。激光流速儀的精度高，測量*圍大，而且可以逐點測出瞬時流速，是研究流體力學問題的有力工具。2.2多普勒雷達20世紀70年代以來，隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)的開展，脈沖多普勒雷達廣泛用于機載預警、導航、導彈制導、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面，成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達的預警飛機，已成為對付低空轟炸機和巡航導彈的有效軍事裝備。此外，這種雷達還用于氣象觀測，對氣象回波進展多普勒速度分辨，可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運動的分布情況。脈沖多普勒雷達具有以下特點：①采用可編程序信號處理機，以增大雷達信號的處理容量、速度和靈活性，提高設(shè)備的復用性，從而使雷達能在跟蹤的同時進展搜索并能改變或增加雷達的工作狀態(tài)，使雷達具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標的能力；②采用可編程序柵控行波管，使雷達能工作在不同脈沖重復頻率，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頻率的波形，并可獲得各種工作狀態(tài)的最正確性能；③采用多普勒波束銳化技術(shù)獲得高分辨率，在空對地應(yīng)用中可提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率的局部放大測繪，在空對空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊的群目標。2.3醫(yī)學方面的應(yīng)用聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學的診斷，也就是我們平常說的彩超。彩超簡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，當聲源與接收體〔即探頭和反射體〕之間有相對運動時，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)進展多普勒信號處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號經(jīng)彩色編碼后實時地疊加在二維圖像上，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〕既具有二維超聲構(gòu)造圖像的優(yōu)點，又同時提供了血流動力學的豐富信息，實際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡送，在臨床上被譽為"非創(chuàng)傷性血管造影〞。為了檢查心臟、血管的運動狀態(tài)，了解血液流動速度，可以通過發(fā)射超聲來實現(xiàn)。由于血管內(nèi)的血液是流動的物體，所以超聲波振源與相對運動的血液間就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。血管向著超聲源運動時，反射波的波長被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運動時，反射波的波長變長，因而在單位時向里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流運速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測定血液的流速。我們知道血管內(nèi)血流速度和血液流量，它對心血管的疾病診斷具有一定的價值，特別是對循環(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，鼓勵發(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，當超聲波束遇到運動的臟器和血管時，便產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，反射信號就為換能器所承受，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。為了使探頭容易對準被測血管，通常采用一種板形雙疊片探頭。3結(jié)語本文對多普勒效應(yīng)的相關(guān)公式進展了推導，具體地闡述了多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原理。而又通過對多普勒效應(yīng)實例的列舉，形象地呈現(xiàn)出這一偉大現(xiàn)象。多普勒效應(yīng)在臨床、天文各個方面都有著積極地運用。參考文獻：[1]汪源源超聲多普勒信號的頻譜分析[期刊論文]-聲學技術(shù)1998(02)[2]余波.*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]-**工商大學學報2005(05)[3]L.E.DrainThelaserDopplerTechnique1980[4]蔣誠志.陳林才散射體激光多普勒效應(yīng)光柵測量系統(tǒng)的研究1991(03)[5]ChengzhiJia