多普勒效應(yīng)的原理及應(yīng)用
一?多普勒現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1842年奧地利一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時汽笛聲變?nèi)?#xff0c;音調(diào)變低。他對這個物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對運(yùn)動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。這就是頻移現(xiàn)象。因?yàn)?#xff0c;聲源相對于觀測者在運(yùn)動時，觀測者所聽到的聲音會發(fā)生變化。當(dāng)聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。?

二??多普勒的相關(guān)現(xiàn)象及原理

1?與聲波相關(guān)

火車汽笛的聲調(diào)由高變低，這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。為了理解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長縮短，好像波被壓縮了.因此，在一定時間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時，聲波的波長變大，好像波被拉伸了。?因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到

f1=（u+v0）f?/（u-vs）?，

其中vs為波源相對于介質(zhì)的速度，v0為觀察者相對于介質(zhì)的速度，f表示波源的固有頻率，u表示波在靜止介質(zhì)中的傳播速度.?當(dāng)觀察者朝波源運(yùn)動時，v0取正號；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動時，v0取負(fù)號.?當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動時vs前面取正號；前波源背離觀察者運(yùn)動時vs取負(fù)號.?從上式可以很容易得知，當(dāng)觀察者與聲源相互靠近時，f1>f?；當(dāng)觀察者與聲源相互遠(yuǎn)離時f1<f?

??設(shè)聲源S，觀察者L分別以速度Vs,Vl在靜止的介質(zhì)中沿同一直線同向運(yùn)動，聲源發(fā)出聲波在介質(zhì)中的傳播速度為V，且Vs小于V，Vl小于V。當(dāng)聲源不動時，聲源發(fā)射頻率為f,波長為X的聲波，觀察者接收到的聲波的頻率為：

f'=(V-Vl)V/[(V-Vs)X]=(V-Vl)f/(V-Vs)?

??所以得?（1）當(dāng)觀察者和波源都不動時，Vs=0,Vl=0,由上式得f'=f?

??（2）當(dāng)觀察者不動，聲源接近觀察者時，觀察者接收到的頻率為F=Vf/(V-Vs)?顯然此時頻率大于原來的頻率???

由上面的式子可以得到多普勒效應(yīng)的所有表現(xiàn)。

?2，與光(電磁波)相關(guān)光（電磁波）的多普勒效應(yīng)計(jì)算公式分為以下三種：?

（1）縱向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線共線）：f'=f?[(c+v)/(c-v)]^(1/2)?
??其中v為波源與接收器的相對速度。當(dāng)波源與觀察者接近時，v取正，稱為“紫移”或“藍(lán)移”；否則v取負(fù)，稱為“紅移”。???

（2）橫向多普勒效應(yīng)（即波源的速度與波源與接收器的連線垂直）：f'=f?(1-β^2)^(1/2)?其中β=v/c?
（3）普遍多普勒效應(yīng)（多普勒效應(yīng)的一般情況）：f'=f?[(1-β^2)^(1/2)]/(1-βcosθ)?
其中β=v/c，θ為接收器與波源的連線到速度方向的夾角。縱向與橫向多普勒效應(yīng)分別為θ取0或π/2時的特殊情況???????

三?多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

1?醫(yī)學(xué)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）之間有相對運(yùn)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(jìn)行多普勒信號處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號經(jīng)彩色編碼后實(shí)時地疊加在二維圖像上，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。

超聲多普勒法診斷心臟過程是這樣的：超聲振蕩器產(chǎn)生一種高頻的等幅超聲信號，激勵發(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(dāng)超聲波束遇到運(yùn)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。為了使探頭容易對準(zhǔn)被測血管，通常采用一種板形雙疊片探頭。
??在臨床上，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler檢查儀，當(dāng)聲源或反射界面移動時，比如當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時，從其表面散射的聲音頻率發(fā)生改變，由這種頻率偏移可以知道血流的方向和速度，如紅細(xì)胞朝向探頭時，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開探頭時，反射的聲頻則降低。
??2?交通應(yīng)用
?交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測速儀的監(jiān)視器有時就裝在路的上方，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上。?

例如雷達(dá)測速儀?交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度．裝有多普勒測速儀的警車有時就停在公路旁，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上。

總結(jié)

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