多普勒效應在超聲波測量與移動通信領域的應用研究

普勒效應是澳大利亞物理學家、數(shù)學家多普勒1842年首先從運動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：

讓我們來首先了解一下多普勒效應。在日常生活中，我們都會有這種經驗：當一列鳴著汽笛的火車向某觀察者駛來時，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調由低變高；當火車遠離時，聲調則由高變低。為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因為聲調的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調聽起來就高；反之聲調聽起來就低。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。

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，在運動的波源后面，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(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，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。

一、聲波的多普勒效應

在日常生活中，我們都會有這種經驗：當一列鳴著汽笛的火車經過某觀察者時，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調由高變低。為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因為聲調的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調聽起來就高；反之聲調聽起來就低。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應，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家和數(shù)學家。他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應。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。其結果是聲波的波長縮短，好象波被壓縮了。因此，在一定時間間隔內傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調變高的原因；相反，當火車駛向遠方時，聲波的波長變大，好象波被拉伸了。因此，聲音聽起來就顯得低沉。定量分析得到f1=（u+v0）/（u-vs）f，其中vs為波源相對于介質的速度，v0為觀察者相對于介質的速度，f表示波源的固有頻率，u表示波在靜止介質中的傳播速度。當觀察者朝波源運動時，v0取正號；當觀察者背離波源（即順著波源）運動時，v0取負號。當波源朝觀察者運動時vs前面取負號；前波源背離觀察者運動時vs取正號。從上式易知，當觀察者與聲源相互靠近時，f1＞f；當觀察者與聲源相互遠離時，f1＜f。

二、多普勒效應在超聲波流量測量領域的應用

假設，超聲波波束與流體運動速度的夾角為θ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動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，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式．如圖所示，當超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動．對超聲波發(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ucosa的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為

f3＝f2-u*cosα/c*f2

將f2的表達式代入上式，可得：

出以上流量方程可知，當流量計、管道條件及被測介質確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移△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

具有波動性的光也會出現(xiàn)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）于1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應測量恒星相對速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化。如果恒星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。

多普勒效應的廣泛應用

1、雷達測速儀

檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應。交通警向行進中的車輛發(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。

2、多普勒效應在醫(yī)學上的應用

在臨床上，多普勒效應的應用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler檢查儀，當聲源或反射界面移動時，比如當紅細胞流經心臟大血管時，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，如紅細胞朝向探頭時，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細胞離開探頭時，反射的聲頻則降低。

3、宇宙學研究中的多普勒現(xiàn)象

20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發(fā)出的光譜時，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認識到了旋渦星云正快速遠離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光普紅移總結出著名的哈勃定律：星系的遠離速度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)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，物質密度一直在變小。由此推知，宇宙結構在某一時刻前是不存在的，它只能是演化的產物。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60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學家稱為宇宙的“標準模型”。

多普勒-斐索效應使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國天文學家W.哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠離我們而去的速度），得出了46km/s的速度值。

4、移動通信中的多普勒效應

在移動通信中，當移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低，所以我們在移動通信中要充分考慮“多普勒效應”。當然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但在衛(wèi)星移動通信中，當飛機移向衛(wèi)星時，頻率變高，遠離衛(wèi)星時，頻率變低，而且由于飛機的速度十分快，所以我們在衛(wèi)星移動通信中要充分考慮“多普勒效應”。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復雜性。