多普勒效应

2021-03-30 17:49:20 浏览:972

定义

多普勒效应(或多普勒频移)是波源和观察者有相对运动时,观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。

多普勒效应以奥地利物理学家多普勒(Christian Doppler)的名字命名,他在1842年描述了这种现象。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高;在运动的波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移red shift);波源的速度越高,所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 

所有波动现象都存在多普勒效应。多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括电磁波,光波等。

公式

观察者和发射源的频率关系为:

 

f'为观察者观察到的频率;

f为波源的原视发射频率;

v为波在介质中的传递速度;

v0为观察者相对于介质的移动速度,如果接近发射源则前方运算符号为+号,反之则为-号;

vs为发射源相对于介质的移动速度,如果接近观察者则前方运算符号为-号,反之则为+号;

举个例子,如果火车和你相向而行,火车行驶并发出汽笛声,分子为声波的传播速度和你的走路速度之和,分母是声波的传播速度和火车行驶速度的差,然后和汽笛声的原始频率相乘,那么在你的位置接收到的频率高于汽笛声的原始频率,即火车汽笛声的音调变高。

多普勒效应的医学应用

声波的多普勒效应被广泛应用于医学领域用于血流成像,多普勒超声大大提高了医学超声检查的能力,它利用多普勒效应判断某结构(通常是血流)是否朝向或背离探头运动,并计算出其相对速度。由于血液中的红细胞随着血液流动,所以超声波探头波源和运动的红细胞之间产生多普勒效应,血流远离探头时,反射波的波长变长;反之,反射波波长变短,频率的变化量和血流的速度成正比,基于此原理可以测定血流流速,对于心血管疾病诊断具有一定的价值。

彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理,把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上,即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见,彩色多普勒既具有二维超声结构图像的优点,又同时提供了血流动力学的丰富信息,实际应用受到了广泛的重视和欢迎,在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

参考文献

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect
[2] https://web.archive.org/web/20170914003837/http://www.einstein-online.info/spotlights/doppler
[3] https://www.physicsclassroom.com/class/waves/Lesson-3/The-Doppler-Effect

超声成像

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