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多普勒效應是指物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產生變化,在運動的波源前面,波被壓縮,波長變得較短,頻率變得較高 ,在運動的波源後面,產生相反的效應,波長變得較長,頻率變得較低 ,波源的速度越高,所產生的效應越大,根據光波紅/藍移的程度,可以計算出波源循著觀測方向運動的速度,恆星光譜線的位移顯示恆星循著觀測方向運動的速度,這種現象稱為多普勒效應。

1 多普勒效應 -名稱由來

多普勒效應多普勒效應

火車從遠而近時,汽笛聲變響,音調變尖,而火車從近而遠時,汽笛聲會變弱,音調變低,奧地利物理學家多普勒對此進行了研究,發現這是由於振源與觀察者之間存在著相對運動,使觀察者聽到的聲音頻率不同於振源頻率的現象,這種現象被稱為頻移現象,由於是多普勒首先提出來的,所以後世稱為「多普勒效應」

2 多普勒效應 -公式

觀察者 (Observer) 和發射源 (Source) 的頻率關係為:

f' 為觀察頻率,f 為發射頻率;V為波段速度,Vo 為觀察者行進速度, Vs 為發射源行進速度。括弧中分子和分母的上行運算和下行運算分別為「接近」和「遠離」之意。

3 多普勒效應 -原理

多普勒效應 實驗多普勒效應 實驗

多普勒效應指出,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論。但是由於缺少實驗設備,多普勒當時沒有用實驗驗證、幾年後有人請一隊小號手在平板車上演奏,再請訓練有素的音樂家用耳朵來辨別音調的變化,以驗證該效應。假設原有波源的波長為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。
一個常被使用的例子是火車的汽笛聲,當火車接近觀察者時,其汽鳴聲會比平常更刺耳,你可以在火車經過時聽出刺耳聲的變化。同樣的情況還有:警車的警報聲和賽車的發動機聲。

如果把聲波視為有規律間隔發射的脈衝,可以想象若你每走一步,便發射了一個脈衝,那麼在你之前的每一個脈衝都比你站立不動時更接近你自己。而在你後面的聲源則比原來不動時遠了一步。或者說,在你之前的脈衝頻率比平常變高,而在你之後的脈衝頻率比平常變低了。

多普勒效應不僅僅適用於聲波,它也適用於所有類型的波,包括電磁波。科學家愛德文·哈勃(Edwin Hubble)使用多普勒效應得出宇宙正在膨脹的結論。他發現遠離銀河系的天體發射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端,稱為紅移,天體離開銀河系的速度越快紅移越大,這說明這些天體在遠離銀河系。反之,如果天體正移向銀河系,則光線會發生藍移

在移動通信中,當移動台移向基站時,頻率變高,遠離基站時,頻率變低,所以在移動通信中要充分考慮多普勒效應。當然,由於日常生活中,我們移動速度的局限,不可能會帶來十分大的頻率偏移,但是這不可否認地會給移動通信帶來影響,為了避免這種影響造成我們通信中的問題,我們不得不在技術上加以各種考慮。也加大了移動通信的複雜性。

在單色的情況下,我們的眼睛感知的顏色可以解釋為光波振動的頻率,或者解釋為,在1秒鐘內電磁場所交替為變化的次數。在可見區域,這種效率越低,就越趨向於紅色,頻率越高的,就趨向於藍色——紫色。比如,由氦——氖激光所產生的鮮紅色對應的頻率為4.74×10^14赫茲,而汞燈的紫色對應的頻率則在7×10^14赫茲以上。這個原則同樣適用於聲波:聲音的高低的感覺對應於聲音對耳朵的鼓膜施加壓力的振動頻率(高頻聲音尖厲,低頻聲音低沉)。

如果波源是固定不動的,不動的接收者所接收的波的振動與波源發射的波的節奏相同:發射頻率等於接收頻率。如果波源相對於接收者來說是移動的,比如相互遠離,那麼情況就不一樣了。相對於接收者來說,波源產生的兩個波峰之間的距離拉長了,因此兩上波峰到達接收者所用的時間也變長了。那麼到達接收者時頻率降低,所感知的顏色向紅色移動(如果波源向接收者靠近,情況則相反)。為了讓讀者對這個效應的影響大小有個概念,在顯示了多普勒頻移,近似給出了一個正在遠離的光源在相對速度變化時所接收到的頻率。例如,在上面提到的氦——氖激光的紅色譜線,當波源的速度相當於光速的一半時,接收到的頻率由4.74×10^14赫茲下降到4.74×10^14赫茲,這個數值大幅度地降移到紅外線的頻段。

4 多普勒效應 -應用

多普勒效應多普勒效應
聲波的多普勒效應的應用

聲波的多普勒效應也可以用於醫學的診斷,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,此法應用多普勒效應原理,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超包括脈衝多普勒、連續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技術進行多普勒信號處理,把自相關技術獲得的血流信號經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)既具有二維超聲結構圖像的優點,又同時提供了血流動力學的豐富信息,實際應用受到了廣泛的重視和歡迎,在臨床上被譽為「非創傷性血管造影」。

為了檢查心臟、血管的運動狀態,了解血液流動速度,可以通過發射超聲來實現。由於血管內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生多普勒效應。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,從而就可根據超聲波的頻移量,測定血液的流速。

我們知道血管內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。

超聲多普勒法診斷心臟過程是這樣的:超聲振蕩器產生一種高頻的等幅超聲信號,激勵發射換能器探頭,產生連續不斷的超聲波,向人體心血管器官發射,當超聲波束遇到運動的臟器和血管時,便產生多普勒效應,反射信號就為換能器所接受,就可以根據反射波與發射的頻率差異求出血流速度,根據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,通常採用一種板形雙疊片探頭。

交通警察向行進中的車輛發射頻率已知的超聲波同時測量反射波的頻率,根據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,並把測得的速度自動列印在照片上。

光波的多普勒效應的應用

具有波動性的光也會出現這種效應,它又被稱為多普勒-斐索效應. 因為法國物理學家斐索(1819~1896年)於1848年獨立地對來自恆星的波長偏移做了解釋,指出了利用這種效應測量恆星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在於,光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恆星遠離我們而去,則光的譜線就向紅光方向移動,稱為紅移;如果恆星朝向我們運動,光的譜線就向紫光方向移動,稱為藍移。

光波的多普勒效應的應用聲波的多普勒效應也可以用於醫學的診斷,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,此法應用多普勒效應原理,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超包括脈衝多普勒、連續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技術進行多普勒信號處理,把自相關技術獲得的血流信號經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)既具有二維超聲結構圖像的優點,又同時提供了血流動力學的豐富信息,實際應用受到了廣泛的重視和歡迎,在臨床上被譽為「非創傷性血管造影」。

為了檢查心臟、血管的運動狀態,了解血液流動速度,可以通過發射超聲來實現。由於血管內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生多普勒效應。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,從而就可根據超聲波的頻移量,測定血液的流速。 我們知道血管內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。

超聲多普勒法診斷心臟過程是這樣的:超聲振蕩器產生一種高頻的等幅超聲信號,激勵發射換能器探頭,產生連續不斷的超聲波,向人體心血管器官發射,當超聲波束遇到運動的臟器和血管時,便產生多普勒效應,反射信號就為換能器所接受,就可以根據反射波與發射的頻率差異求出血流速度,根據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,通常採用一種板形雙疊片探頭。

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