多普勒效应及其应用的探讨

多普勒效应及其应用的探讨

作者：金召 赵昕怡

来源：《科技创新与应用》2013年第27期

摘 要：文章通过解释多普勒效应原理，分析实际生活中多普勒效应的现象实例，并列举在军事，医学，宇宙探索等领域中多普勒效应的广泛应用，突出其对生产生活的指导性帮助。 关键词：多普勒效应；频率；超声波；雷达；彩超；银河系

实际生活中，经常有这样的现象：我们站在路边，迎面开过来一辆汽车，我们可以清晰地听到汽车马达的声音。这声音会随着车子驶近我们而变得尖锐，当车子经过我们身边并逐渐驶离时，车子发出的声音则会渐渐变得低沉。我们不禁要问，为什么会出现这样的现象。车子一直在正常行驶，没有变速，车子本身发出的声音没有变化。而我们听到的声音的由低沉变得尖锐再变得低沉，也不是由于我们和车子之间距离的变化而造成的声音响度大小的改变，因为决定声音尖锐或低沉的是它的音调，即振动的频率。所以，也就有了最可能的解释，就是车子不断驶向我们的过程中，声音的音调发生了改变。而这种改变，并不是汽车马达这一声源自身振动频率的改变，而是我们人耳接收到的声音频率的变化。像这种由于之间的相对运动，而导致的声音接收频率发生变化的现象，也就是我们接下来要讲的多普勒效应。

1 多普勒效应基本规律

1842年，奥地利人多普发现了波源和观测者之间的相对运动，会导致物体辐射波长的变化，从而首先提出了多普勒效应理论。经过几百年来持续深入的研究和生活实践，我们已经知道，若是声源朝向接受体方向运动，那么，接受体接收到的频率会相对增加（与声源实际振动频率相比），这就可以解释当汽车驶近我们时，我们听到的声音越来越尖锐；反之，若声源背离接受体方向运动，接受体接收到的频率会相对减小，所以当车子经过并驶离我们时，传入我们耳朵的声音由尖锐渐渐变得低沉。这里有两个问题需要强调：首先是这里车子的运动是匀速的，也就是说，振动频率（音调）的改变并不是由于车子速度的变化而导致的，声源与接收者只有相对位置的变化，没有相对速度的变化。其次，我们这里所说的，运动，指的是相对运动。即人站在路边不动，汽车驶向人，与汽车不动，人跑近汽车，都会振动频率（音调）的升高，只是若试图深入研究，其音调变化量不尽相同。所以结论就是，只要声源与接收者两者之间距离相对减小，则振动频率（音调）升高；若声源与接收者之间相对距离增大，则振动频率（音调）减小。

2 多普勒效应在军事、交通领域的应用

当今时代，信息化数字化的迅猛发展在军事领域尤为突出。我们常说的军用雷达，实际上可以完成两个主要功效：一是通过雷达发出的波，经飞行物反射后雷达再次接受，经过波的运行时间及波速条件，测量出被测飞行物的飞行高度和距离；另外，雷达通过比较发出波与接收

波之间的比率差异，能够比较准确滴确定出被测飞行物的飞行速度。所以，一旦战争爆发，当敌机驶入雷达可控范围时，雷达能够快速准确地将敌机的飞行信息全方位反馈给地面控制中心，帮助其进行下一步部署。而飞行高度和飞行速度这两项重要指标，更是发射导弹等防空措施中必须参考的重要指标。

同样，交通领域，马路上我们所谓的“电子眼”，也是通过多普勒效应原理来进行测速的。不同的速度会对发出波和接收波的频率有不同程度的改变，根据这个改变程度，车子行驶的速度就被测算出来啦。可以想象，没有多普勒和他的理论，我们不知要动用多少交警，又会有多少违章或是交通事故发生。

3 多普勒效应在医学领域的应用

医学上，我们常说的“彩超”，主要利用的就是多普勒效应。在检测和诊断心脏及其血流状况时，我们常常超声多普勒法。这种检测需要超声振荡器发出高频的等幅信号，发出的信号在被检测者体内传播，当碰到心脏或流动的血液时会发生反射。根据多普勒效应，我们知道，若心脏跳动，血液流动，则接收器接收到的频率会有所改变；若心脏已停止跳动，则接收器会接收到与发射频率相同的信号。对于跳动的心脏和流动的血液，我们通过对发射信号与接收信号之间的频率差异进行分析，从而诊测算出被测者的心跳频率和血流速度，对被测者的病情进行明确诊断，这就是超声多普勒法检测病人心脏血流状况的原理。除此之外，此种方法还适用于对病人的腹腔脏器、前列腺及精囊等其他器官进行检测。对于妊娠期的妇女来说，此种方法也是产前检测的重要手段。

4 多普勒效应在宇宙探索领域的应用

多普勒效应不仅在军事，医学领域发挥重要作用，科学家们宇宙探索过程中，同样离不开多普勒效应。现在我们已经知道，银河系的星体之间，是不断发生相对运动的。宇宙中的星体不断向外辐射着电磁波，当两星体之间相互远离时，电磁波的频率会降低，它能够帮助我们去分析天体运动的状况（包括是否运动，运动方向，运动速度等）。著名的天文学家哈勃，也正是通过天体发射的电磁波频率在不断减小或增大，推断出部分天体原理或靠近银河系的结论，而最终阐释了银河系正在不断扩张的理论。可以说，多于宇宙这一庞大且神秘的系统，我们无法实地勘测，而多普勒效应则为人类的研究提供了莫大的帮助。

5 结束语

人类发展到今天，离不开神奇的多普勒效应。认识并了解科学，揭示自然科学奥秘，才能推动人类文明更好地发展。多普勒效应应用的领域，绝不仅仅局限于本文所讲到的军事，交通，医学和宇宙探索。可以说，可以说，多普勒效应，是前人留给我们宝贵财富，也是激励我们不断钻研，开拓进取的航标。