生活中的“多普勒現(xiàn)象”

韓吉辰

你可能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)飛馳的火車(chē)接近我們時(shí)，其汽笛的轟鳴聲會(huì)非常尖銳刺耳，而當(dāng)離開(kāi)我們時(shí)汽笛的轟鳴聲會(huì)一下子低沉下去，汽笛轟鳴聲的音調(diào)變化是非常明顯的，同樣的情況還有疾駛警車(chē)的警笛聲和賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)聲。這有什么奇怪的嗎?難道這里還有什么奧秘嗎?是的，科學(xué)家從這種熟視無(wú)睹的日?，F(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)了非常重要的科學(xué)規(guī)律：這種由于聲源運(yùn)動(dòng)而引起音調(diào)變化的現(xiàn)象，在物理學(xué)上被稱(chēng)為“多普勒現(xiàn)象”。

飛馳而來(lái)的火車(chē)……

奧地利物理學(xué)家多普勒生于1803年，是薩爾茨堡一名石匠的兒子，父母本來(lái)期望他子承父業(yè)，可是他自小體弱多病，無(wú)法當(dāng)一名石匠。他們接受了一位數(shù)學(xué)教授的意見(jiàn)，讓多普勒到維也納理工學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，畢業(yè)后又到維也納大學(xué)學(xué)習(xí)高級(jí)數(shù)學(xué)、天文學(xué)和力學(xué)。

那是1842年的一天，多普勒帶著小女兒在鐵道旁散步時(shí)，就注意到了當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻會(huì)改變。經(jīng)過(guò)認(rèn)真思考，他首先提出了這一理論：聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低。在那個(gè)時(shí)代，根本沒(méi)有精密儀器能夠量度出那些音調(diào)的變化。反對(duì)的人不屑地認(rèn)為：這不過(guò)是聽(tīng)者耳朵的一種錯(cuò)覺(jué)罷了。

面對(duì)權(quán)威的反對(duì)，多普勒想最好的辦法就是利用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。在那個(gè)時(shí)代，沒(méi)有儀器能夠量度出那些變化，多普勒想出了一個(gè)“笨”方法：請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的樂(lè)手親耳辨別。他請(qǐng)一些樂(lè)手在飛馳的火車(chē)上露天奏出一定音調(diào)的樂(lè)音，請(qǐng)另一些樂(lè)手在月臺(tái)上記下火車(chē)接近和離開(kāi)時(shí)聽(tīng)到的音調(diào)高度。反復(fù)實(shí)驗(yàn)以后，結(jié)果出來(lái)了：支持“多普勒效應(yīng)”的存在!

那么“多普勒效應(yīng)”的原理是什么呢?原來(lái)我們耳朵聽(tīng)到的所謂“音調(diào)”是由聲音的頻率(每秒鐘聲源振動(dòng)的次數(shù))決定的，頻率高的音調(diào)就會(huì)尖銳，頻率低的音調(diào)就會(huì)低沉。當(dāng)波源和觀察者相對(duì)靜止時(shí)，1秒內(nèi)通過(guò)觀察者耳朵的波峰的數(shù)目(叫做“頻率”)是一定的，觀察者聽(tīng)到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率。也就是說(shuō)：聽(tīng)到的是“原聲”。

當(dāng)波源向觀察者快速運(yùn)動(dòng)(或觀察者向波源快速運(yùn)動(dòng))時(shí)，1秒內(nèi)通過(guò)觀察者耳朵的波峰數(shù)目就會(huì)增加，這時(shí)觀察者聽(tīng)到的聲音頻率增加，頻率高的聲波音調(diào)就尖銳一些：反之，當(dāng)波源和觀察者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者聽(tīng)到的頻率變小，頻率小的聲波音調(diào)就低沉。其實(shí)，這時(shí)波源發(fā)出的聲音頻率始終如一，但在運(yùn)動(dòng)中觀察者耳朵接收到的頻率卻發(fā)生了變化，這就是“多普勒現(xiàn)象”的簡(jiǎn)單原理。

“多普勒現(xiàn)象”在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來(lái)，超聲診斷技術(shù)(B超)以驚人的速度發(fā)展，它與cT、核磁共振、同位素掃描一樣，成為現(xiàn)代醫(yī)學(xué)四大影像診斷技術(shù)之一。B型超聲檢查，俗稱(chēng)“B超”，是患者在醫(yī)院就診時(shí)經(jīng)常接觸到的醫(yī)療檢查項(xiàng)目。在臨床上它被廣泛應(yīng)用于心內(nèi)科、消化內(nèi)科、泌尿科和婦產(chǎn)科疾病的診斷。

超聲多普勒技術(shù)在臨床上的應(yīng)用不斷增多，比如近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的超聲脈沖多普勒檢查儀，當(dāng)聲源或反射界面移動(dòng)時(shí)，比如當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時(shí)，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(xì)胞朝向探頭時(shí)，根據(jù)多普勒原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開(kāi)探頭時(shí)，反射的聲頻則降低。通過(guò)精密電腦的分析，可以發(fā)現(xiàn)很多與病情有關(guān)的數(shù)據(jù)。

心臟彩色多普勒正是應(yīng)用這種原理，把心臟血流描繪得惟妙惟肖，成為目前世界上最先進(jìn)的超聲診斷設(shè)備。心臟彩色多普勒是一種非侵入性檢查心臟病的重要技術(shù)之一，對(duì)病人無(wú)痛苦，無(wú)損害，方法簡(jiǎn)便，可重復(fù)多次，顯像清晰，診斷準(zhǔn)確率高，易普及推廣，已成為現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷工具，是診斷心臟病特別是先天性心臟病的有效方法。

你有沒(méi)有過(guò)這樣經(jīng)歷?靜脈注射時(shí)由于血管不好找，只得強(qiáng)忍疼痛，被扎了一次又一次!普通人尚且如此，對(duì)那些患有脫水癥、心臟病及過(guò)度肥胖者來(lái)說(shuō)，靜脈注射更是苦不堪言。還有當(dāng)醫(yī)師治療嚴(yán)重外傷病人時(shí)，每一秒都彌足珍貴。然而，各種創(chuàng)傷、燒傷經(jīng)常使人“血肉模糊”，細(xì)小的靜脈難于被定位，用于挽救生命的藥品難以注射。

現(xiàn)在好了，一種采用多普勒超聲波技術(shù)的新型注射器試驗(yàn)成功了。原來(lái)，在我們的皮膚結(jié)構(gòu)中，表皮、皮下組織等都是靜態(tài)的，而血管中流動(dòng)的血液則是動(dòng)態(tài)的。利用這個(gè)原理，多普勒超聲波能夠探測(cè)到流動(dòng)著血液的血管的精確位置，提供了關(guān)鍵的三維信息，這樣就可以為針頭定位。在注射時(shí)，這種注射器可以根據(jù)血液的流向判斷出靜脈和動(dòng)脈，當(dāng)發(fā)現(xiàn)靜脈時(shí)，指示器亮，醫(yī)護(hù)人員就可以進(jìn)行靜脈注射了。

“多普勒現(xiàn)象”用于測(cè)速

“射門(mén)!”綠蔭場(chǎng)上足球比賽激烈進(jìn)行，運(yùn)動(dòng)員抬腳射門(mén)，“中了!中了!關(guān)鍵的一球，足球以128千米時(shí)速，像飛火流星一樣，射進(jìn)大門(mén)!”解說(shuō)員聲嘶力竭地呼喊著。那么，解說(shuō)員是怎么知道足球的速度呢?原來(lái)，這是“多普勒測(cè)速雷達(dá)”告訴他的。

雷達(dá)是利用無(wú)線電波來(lái)測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備。電磁波同聲波一樣，遇到障礙物也要發(fā)生反射，雷達(dá)就是利用電磁波的這個(gè)特性工作的。利用“多普勒現(xiàn)象”，可以知道物體的運(yùn)動(dòng)方向和即時(shí)速度?！岸嗥绽諟y(cè)速雷達(dá)”的結(jié)構(gòu)，主要由電磁波發(fā)射器、電磁波接收器、微型電腦以及數(shù)碼顯示器(打印機(jī))組成，當(dāng)然還需要穩(wěn)定的電源設(shè)備。有一種袖珍“測(cè)速槍”，外型極像一只手槍?zhuān)梢苑浅７奖愕赜檬帜弥僮魇趾?jiǎn)單，它也有槍筒、手柄、扳機(jī)和電源等部件。有效測(cè)速距離為500～800米，誤差小于2％。

測(cè)速雷達(dá)在城市交通管理中也發(fā)揮著獨(dú)特的作用，還可以測(cè)量幾十千米外，甚至上百千米外的飛機(jī)和云層，在一定條件下反映出大氣風(fēng)場(chǎng)、氣流垂直速度的分布以及湍流情況，這對(duì)研究降水的形成，警戒強(qiáng)對(duì)流天氣等具有重要意義。對(duì)強(qiáng)雷暴的偵察率是96％，對(duì)龍卷風(fēng)的發(fā)現(xiàn)率是83％，對(duì)龍卷風(fēng)警告的平均預(yù)警時(shí)間是18分鐘。

移動(dòng)通信避免“多普勒效應(yīng)”

“多普勒現(xiàn)象”的用途廣泛，但是也有對(duì)我們不利的時(shí)候。在過(guò)去手機(jī)的使用中，經(jīng)常發(fā)生這樣的情況，當(dāng)汽車(chē)飛速行駛時(shí)，正在通話的手機(jī)會(huì)突然“掉線”。這個(gè)罪魁禍?zhǔn)资钦l(shuí)呢?正是大名鼎鼎的“多普勒效應(yīng)”。

原來(lái)在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)(手機(jī))移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，這種“頻率偏移”與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度成正比，很影響手機(jī)信號(hào)的質(zhì)量甚至導(dǎo)致“掉線”，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”的影響。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動(dòng)速度有限，一般不會(huì)帶來(lái)十分大的頻率偏移，但是在疾駛的汽車(chē)、火車(chē)上，就會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)一定的影響。為了避免這種影響造成通信出問(wèn)題，我們不得不在技術(shù)上加以考慮。目前我國(guó)的科技成果，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)431千米以?xún)?nèi)的速度下，移動(dòng)通信系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定通信。這是目前國(guó)際上完成的最高速度下的演示，也為全球通信業(yè)解決了一大難題。

在衛(wèi)星移動(dòng)通信中，“多普勒效應(yīng)”的影響就更加明顯了。這時(shí)無(wú)線電波的發(fā)射源和接收器之間，相對(duì)速度極快。這樣，如果接收器移向衛(wèi)星時(shí)，頻率就變高，遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí)，頻率就變低，而且由于飛機(jī)或各種航天器的本身速度也十分快，這些“頻率偏移”的變化非同小可!所以我們?cè)谛l(wèi)星移動(dòng)通信中，必須充分考慮“多普勒效應(yīng)”的負(fù)面影響。

科學(xué)家深入研究發(fā)現(xiàn)，“多普勒效應(yīng)”的意義遠(yuǎn)不止于此，它適用于所有類(lèi)型的波，包括光波、電磁波甚至機(jī)械波，還有很多潛在的用途，在很多研究領(lǐng)域有著不可替代的作用呢!(文章代碼：1408)