普勒效應(yīng)是澳大利亞物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家多普勒1842年首先從運(yùn)動(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象:
讓我們來(lái)首先了解一下多普勒效應(yīng)。在日常生活中,我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn):當(dāng)一列鳴著汽笛的火車(chē)向某觀(guān)察者駛來(lái)時(shí),他會(huì)發(fā)現(xiàn)火車(chē)汽笛的聲調(diào)由低變高;當(dāng)火車(chē)遠(yuǎn)離時(shí),聲調(diào)則由高變低。為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢?這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動(dòng)頻率的不同決定的,如果頻率高,聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就高;反之聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就低。這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。
多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^(guān)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,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,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,可以計(jì)算出波源循著觀(guān)測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度,恒星光譜線(xiàn)的位移顯示恒星循著觀(guān)測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度,這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。
一、聲波的多普勒效應(yīng)
在日常生活中,我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn):當(dāng)一列鳴著汽笛的火車(chē)經(jīng)過(guò)某觀(guān)察者時(shí),他會(huì)發(fā)現(xiàn)火車(chē)汽笛的聲調(diào)由高變低。為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢?這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動(dòng)頻率的不同決定的,如果頻率高,聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就高;反之聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就低。這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng),它是用發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒(christianDoppler,1803-1853)的名字命名的,多普勒是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家。他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)。為了理解這一現(xiàn)象,就需要考察火車(chē)以恒定速度駛近時(shí),汽笛發(fā)出的聲波在傳播時(shí)的規(guī)律。其結(jié)果是聲波的波長(zhǎng)縮短,好象波被壓縮了。因此,在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了,這就是觀(guān)察者為什么會(huì)感受到聲調(diào)變高的原因;相反,當(dāng)火車(chē)駛向遠(yuǎn)方時(shí),聲波的波長(zhǎng)變大,好象波被拉伸了。因此,聲音聽(tīng)起來(lái)就顯得低沉。定量分析得到f1=(u+v0)/(u-vs)f,其中vs為波源相對(duì)于介質(zhì)的速度,v0為觀(guān)察者相對(duì)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(guān)察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí),v0取正號(hào);當(dāng)觀(guān)察者背離波源(即順著波源)運(yùn)動(dòng)時(shí),v0取負(fù)號(hào)。當(dāng)波源朝觀(guān)察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs前面取負(fù)號(hào);前波源背離觀(guān)察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs取正號(hào)。從上式易知,當(dāng)觀(guān)察者與聲源相互靠近時(shí),f1>f;當(dāng)觀(guān)察者與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí),f1<f。
二、多普勒效應(yīng)在超聲波流量測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用
假設(shè),超聲波波束與流體運(yùn)動(dòng)速度的夾角為θ,超聲波傳播速度為c,流體中懸浮粒子運(yùn)動(dòng)速度與流體流速相同,均為u.現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例,導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式.如圖所示,當(dāng)超聲波束在管軸線(xiàn)上遇到一粒固體顆粒,該粒子以速度u沿營(yíng)軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng).對(duì)超聲波發(fā)射器而言,該粒子以ucosα的速度離去,所以粒子收到的超聲波頻率f2應(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率f1,降低的數(shù)值為
f2-f1=-u*cosα/c*f1
即粒子收到的超聲波頻率為
f2=f1-u*cosα/c*f1
式中f1――發(fā)射超聲波的頻率;
a――超聲波束與管軸線(xiàn)夾角;
c――流體中聲速。
固體粒子又將超聲波束散射給接收器,由于它以u(píng)cosa的速度離開(kāi)接收器,所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低,類(lèi)似于f2的計(jì)算,f3可表示為
f3=f2-u*cosα/c*f2
將f2的表達(dá)式代入上式,可得:
出以上流量方程可知,當(dāng)流量計(jì)、管道條件及被測(cè)介質(zhì)確定以后,多普勒頻移與體積流量成正比,測(cè)量頻移△f就可以得到流體流量qv。
三、光波(包括電磁波)的多普勒效應(yīng)
具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng),它又被稱(chēng)為多普勒-斐索效應(yīng)。因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索(1819-1896)于1848年獨(dú)立地對(duì)來(lái)自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋?zhuān)赋隽死眠@種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于,光波頻率的變化使人感覺(jué)到是顏色的變化。如果恒星遠(yuǎn)離我們而去,則光的譜線(xiàn)就向紅光方向移動(dòng),稱(chēng)為紅移;如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng),光的譜線(xiàn)就向紫光方向移動(dòng),稱(chēng)為藍(lán)移。
多普勒效應(yīng)的廣泛應(yīng)用
1、雷達(dá)測(cè)速儀
檢查機(jī)動(dòng)車(chē)速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。交通警向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波,通常是紅外線(xiàn),同時(shí)測(cè)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(chē)輛的速度。裝有多普勒測(cè)速儀的警車(chē)有時(shí)就停在公路旁,在測(cè)速的同時(shí)把車(chē)輛牌號(hào)拍攝下來(lái),并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上。
2、多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用
在臨床上,多普勒效應(yīng)的應(yīng)用也不斷增多,近年來(lái)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(dòng)時(shí),比如當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時(shí),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(shí),根據(jù)Doppler原理,反射的聲頻則提高,如紅細(xì)胞離開(kāi)探頭時(shí),反射的聲頻則降低。
3、宇宙學(xué)研究中的多普勒現(xiàn)象
20世紀(jì)20年代,美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí),首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移,認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光普紅移總結(jié)出著名的哈勃定律:星系的遠(yuǎn)離速度v與距地球的距離r成正比,即v=Hr,H為哈勃常數(shù)。根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體紅移的測(cè)定,人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹,物質(zhì)密度一直在變小。由此推知,宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的,它只能是演化的產(chǎn)物。因而1948年伽莫夫(G.Gamow)和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。20世紀(jì)60年代以來(lái),大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受,以致被天文學(xué)家稱(chēng)為宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。
多普勒-斐索效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能,這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年,英國(guó)天文學(xué)家W.哈金斯用這種辦法測(cè)量了天狼星的視向速度(即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度),得出了46km/s的速度值。
4、移動(dòng)通信中的多普勒效應(yīng)
在移動(dòng)通信中,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí),頻率變高,遠(yuǎn)離基站時(shí),頻率變低,所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。當(dāng)然,由于日常生活中,我們移動(dòng)速度的局限,不可能會(huì)帶來(lái)十分大的頻率偏移,但在衛(wèi)星移動(dòng)通信中,當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí),頻率變高,遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí),頻率變低,而且由于飛機(jī)的速度十分快,所以我們?cè)谛l(wèi)星移動(dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。為了避免這種影響造成我們通信中的問(wèn)題,我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。
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