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都卜勒效應

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上圖顯示當波源向左移動時,其左邊的頻率變得較高,而右邊的頻率則變得較低。

都卜勒效應是波源和觀察者有相對運動時,觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並不相同的現象。遠方急駛過來的火車鳴笛聲變得尖細(即頻率變高,波長變短),而離我們而去的火車鳴笛聲變得低沉(即頻率變低,波長變長),就是都卜勒效應的現象,同樣現象也發生在私家車鳴響與火車的敲鐘聲。

這一現象最初是由奧地利物理學家都卜勒1842年發現的。荷蘭氣象學家拜斯·巴洛特英語C. H. D. Buys Ballot(Buys Ballot)在1845年讓一隊喇叭手站在一輛從荷蘭烏德勒支附近疾駛而過的敞篷火車上吹奏,他在站台上測到了音調的改變。這是科學史上最有趣的實驗之一。

都卜勒效應從19世紀下半葉起就被天文學家用來測量恆星的視向速度。現已被廣泛用來佐證觀測天體人造衛星的運動。

公式[編輯]

觀察者(Observer)和發射源(Source)的頻率關係為: f' = \left( \frac{v \pm v_o}{v \mp v_s} \right) f

  • f'為觀察到的頻率;
  • f為發射源於該介質中的原始發射頻率;
  • v為波在該介質中的行進速度;
  • v_o為觀察者相對於介質的移動速度,若接近發射源則前方運算符號為+號,反之則為-號;
  • v_s為發射源相對於介質的移動速度,若接近觀察者則前方運算符號為-號,反之則為+號。

光波的都卜勒效應[編輯]

具有波動性的也會出現這種效應,它又被稱為都卜勒-斐索效應。因為法國物理學家斐索Hippolyte Fizeau,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

光波與聲波的不同之處在於:光以光速c\,運行,這時需要考慮狹義相對論帶來的效應,詳細介紹請參看相對論性都卜勒效應

聲波的都卜勒效應的應用[編輯]

聲波的都卜勒效應也可以用於醫學的診斷,也就是我們平常說的彩色超音波(彩超)。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白B超再加上彩色都卜勒,首先說說超聲頻移診斷法,即D超,此法應用都卜勒效應原理,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超包括脈衝都卜勒、連續都卜勒和彩色都卜勒血流圖像。彩色都卜勒超聲一般是用自相關技術進行都卜勒信號處理,把自相關技術獲得的血流信號經彩色編碼後實時地疊加在二維圖像上,即形成彩色都卜勒超聲血流圖像。由此可見,彩色都卜勒超聲(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,所以超音波振源與相對運動的血液間就產生都卜勒效應。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。血液離開聲源運動時,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,從而就可根據超音波的頻移量,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。

超聲都卜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,產生連續不斷的超音波,向人體心血管器官發射,當超音波束遇到運動的臟器和血管時,便產生都卜勒效應,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音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。裝有都卜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。

補充:都卜勒效應也可以用介質中傳播的衰減理論解釋。波在介質中傳播,會出現頻散現象,隨距離增加,高頻向低頻移動。

參考文獻[編輯]

相關條目[編輯]

外部連結[編輯]