多普勒效应

多普勒效应是为了纪念1842年首次提出这一理论的奥地利物理学家和数学家克里斯蒂安·约翰·多普勒而命名的。多普勒认为物体辐射的波长因光源和观察者的相对运动而改变。在移动的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高(蓝移)。相反的效果发生在移动的波源后面。波长变长，频率变低(红移)。波源的速度越高，效果越大。根据光波红移/蓝移的程度，可以计算出波源沿观测方向移动的速度。恒星光谱线的移动显示了恒星沿着观察方向移动的速度。除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒频移的程度通常非常小。多普勒效应存在于所有波现象中(包括光波)。

多普勒效应的发现

1842年，德国数学家多普勒。一天，当一列火车从他身边经过时，他正在通过铁路道口。他发现火车的汽笛从远到近越来越响越来越尖锐，而汽笛从近到远越来越弱，声音越来越低。他对这种物理现象非常感兴趣，并做了一些研究。发现这是由于振动源和观察者之间的相对运动，这使得观察者听到的声音频率不同于振动源听到的声音频率。这就是频移现象。因为多普勒效应是最早提出的，所以它被称为多普勒效应。

多普勒效应

多普勒效应指出，当波源向观察者移动时，波的接收频率变高，而当波源远离观察者时，波的接收频率变低。当观察者移动时，也可以得到同样的结论。然而，由于缺乏实验设备，多普勒在当时没有得到实验的验证。几年后，一队小号手被邀请在平板上演奏，训练有素的音乐家被邀请用他们的耳朵识别音调的变化来验证效果。假设原始波源的波长为λ，波速为C，观察者的移动速度为V:

当观测者接近波源时，观测波源频率为(v+c)/λ，当观测者远离波源时，观测波源频率为(v-c)/λ。

经常使用的一个例子是火车的汽笛声。当火车接近观察者时，它的蒸汽听起来会比平时更刺耳。当火车经过时，你可以听到刺耳声音的变化。警车的警笛声和赛车的引擎也是如此。

如果你认为声波是以规则的间隔发出的脉冲，你可以想象如果你每走一步发出一个脉冲，那么你面前的每一个脉冲都比你站着不动时更靠近你自己。你身后的声源比它不动时要远一步。换句话说，你面前的脉冲频率比平时高，而你身后的脉冲频率比平时低。

多普勒效应不仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括电磁波。科学家埃德温·哈勃利用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发出的光的频率变得更低，也就是说，它们移动到光谱的红色端，这被称为红移。天体离开银河系越快，红移就越大，这表明这些天体远离银河系。相反，如果天体向银河系移动，光线将会蓝移。

在移动通信中，当移动台移动到基站时，频率变高，当移动台离开基站时，频率变低，所以在移动通信中要充分考虑多普勒效应。当然，由于我们日常生活中移动速度的限制，不可能产生很大的频率偏移，但这无疑会对移动通信产生影响。为了避免这种影响给我们的交流带来问题，我们必须考虑各种技术因素。这也增加了移动通信的复杂性。

在单色的情况下，我们眼睛感知到的颜色可以解释为光波振动的频率，或者电磁场在一秒钟内交替的次数。在可见光区，效率越低，越倾向于红色，频率越高，越倾向于蓝紫色。例如，氦氖激光产生的鲜红色频率为4.74×1014赫兹，而汞灯的紫色频率在7×1014赫兹以上。同样的原理也适用于声波:声音水平的感觉对应于振动频率(高频声音尖锐，低频声音低沉)，在振动频率下，声音对耳朵的耳膜施加压力。

如果波源是静止的，由静止的接收器接收的波的振动与由波源发射的波的节奏相同:发射频率等于接收频率。如果波源相对于接收器移动，例如彼此远离，则情况不同。与接收器相比，由波源产生的两个峰值之间的距离更长，因此两个峰值到达接收器所需的时间也更长。当到达接收器时，频率降低，感知到的颜色向红色移动(如果波源接近接收器，则情况正好相反)。为了给读者一个关于这种效应的大小的概念，多普勒频移被显示，当相对速度变化时，由远处光源接收的频率被近似地给出。例如，在上述氦氖激光器的红色谱线中，当波源的速度等于光速的一半时，接收频率从4.74×1014赫兹下降到4.74×1014赫兹，大大降低到红外频带。

声波的多普勒效应

在日常生活中，我们都有这样的经历:当一列火车鸣笛经过一个观察者时，他会发现火车鸣笛的音调由高变低。为什么会这样？这是因为音调是由声波的不同频率决定的。如果频率高，音调听起来就高。另一方面，音调听起来很低。这种现象被称为多普勒效应。它以奥地利物理学家和数学家、发现者克里斯蒂安·多普勒的名字命名。他在1842年首次发现了这种效应。为了理解这一现象，有必要研究当火车以恒定速度接近时汽笛发出的声波的规律。结果是声波的波长变短了，就像声波被压缩了一样。因此，在一定时间间隔内传播的波的数量增加，这就是为什么观察者感觉音调变高。相反，当火车开得很远时，声波的波长变得更大，就好像声波被拉长了一样。因此，声音听起来很低。定量分析表明f1=(u+v0)/(u-vs)f，其中vs是波源相对于介质的速度，v0是观察者相对于介质的速度，F代表波源的固有频率，U代表波在静止介质中的传播速度。当观察者向波源移动时，v0取正符号；当观察者远离波源(即跟随波源)时，v0取负号。当波源向观察者移动时，vs在它前面会有一个负号。当前波源远离观察者时，Vs取正符号。由上式可知，当观察者和声源相互靠近时，F1 > F；当观察者和声源彼此远离时。f1

f =(v-VL)v/[(v-vs)X]=(v-VL)f/(v-vs)

因此，(1)当观察者和波源都静止时，vs=0，vl=0，f=f来自上述公式

(2)当观察者不移动且声源靠近观察者时，观察者接收到的频率为

显然，此时的频率大于原始频率。

多普勒效应的所有表现都可以从上述公式中得到。

光波的多普勒效应

波动的光也有这种效应，也叫多普勒-菲佐效应。因为法国物理学家斐索(1819~1896)在1848年独立解释了恒星的波长漂移，并指出利用这一效应测量恒星相对速度的方法。光波和声波的区别在于光波频率的变化让人感觉到颜色的变化。如果恒星远离我们，光线的光谱线会向红光移动，这叫做红移。如果恒星向我们移动，光线的光谱线向紫光移动，这叫做蓝移。

声波多普勒效应的应用

声波的多普勒效应也可以用于医学诊断，这就是我们通常所说的彩色多普勒超声。彩色多普勒超声是简单的高清晰度黑白超声加上彩色多普勒。首先，我们将讨论超声频移诊断方法，即D-超声。这种方法应用了多普勒效应的原理。当声源和接收器(即探头和反射器)之间有相对运动时，回声的频率发生变化。这种频率的变化称为频移。二维超声包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声通常使用自相关技术来处理多普勒信号。通过自相关技术获得的血流信号被实时彩色编码并叠加在二维图像上，以形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声(即彩色多普勒超声)具有二维超声结构图像的优点，同时提供了丰富的血流动力学信息。其实际应用受到广泛重视和欢迎，在临床上被称为“无创血管造影”。

为了检查心脏和血管的运动状态，了解血流速度，可以通过发射超声波来实现。因为血管中的血液是流动的物体，所以在超声振动源和相对运动的血液之间产生多普勒效应。当血管向超声波源移动时，反射波的波长被压缩，从而增加了频率。当血管远离声源时，反射波的波长变长，因此单位时间内内向频率降低。反射波频率增加或减少的量与血流速度成比例，从而可以根据超声波的频移量来测量血流速度。

我们知道血管内的血流速度和血流量，它们在心血管疾病的诊断中具有一定的价值，特别是在提供关于供氧、阻断能力、有无湍流、血管动脉粥样硬化等有价值的诊断信息方面。在流通过程中。

超声多普勒法诊断心脏的过程如下:超声振荡器产生高频等幅超声信号，激励发射换能器探头，产生连续超声波，并将连续超声波发射到人体心血管器官。当超声波束遇到运动器官和血管时，产生多普勒效应，反射信号被换能器接收，根据反射波和透射波的频率差可以得到血流速度，根据反射波的频率是增加还是减少可以确定血流方向。为了容易地将探针与要测量的血管对准，通常采用板形双层探针。

交警将已知频率的超声波传输到行驶的车辆上，同时测量反射波的频率。根据反射波的频率变化可以知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时安装在道路的顶部。测量速度时，会拍摄车辆编号，并自动将测量的速度打印在照片上。