多普勒效應(yīng)知多少等

張建兵　趙敏

人們往往有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)一列火車向我們快速駛來，我們耳朵感覺到的火車鳴笛聲音要比火車實(shí)際的鳴笛音調(diào)高，亦即頻率值變大；而當(dāng)火車漸漸離我們遠(yuǎn)去時(shí)，我們耳朵感覺到的鳴笛聲音要比火車實(shí)際的鳴笛音調(diào)低，亦即頻率值變小。這個(gè)有趣的物理現(xiàn)象是由多普勒效應(yīng)所致。多普勒效應(yīng)這個(gè)物理現(xiàn)象，最早由奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)。隨后，荷蘭氣象學(xué)家拜斯·巴洛特也觀察到了這一現(xiàn)象，他讓一隊(duì)喇叭手站在一輛疾駛而過的敞篷火車上吹奏，在站臺上的他很明顯地檢測到了音調(diào)的改變。那么，究竟什么是多普勒效應(yīng)呢？

多普勒效應(yīng)的原理

如果將鳴笛的火車稱為聲源，人稱為觀測者，那么所謂多普勒效應(yīng)，就是當(dāng)聲源與觀測者發(fā)生相對運(yùn)動時(shí)，觀測者接收到的聲波頻率與聲源實(shí)際發(fā)出的聲波頻率不同的現(xiàn)象。最初，多普勒效應(yīng)只是在聲波中被發(fā)現(xiàn)，但隨著物理學(xué)的發(fā)展，逐漸在其他類型的波中，如電磁波、光波中也發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。

更進(jìn)一步地分析，可以將此現(xiàn)象分為三種情況：一是觀測者靜止，聲源相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動；二是聲源靜止，觀測者相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動；三是聲源和觀測者同時(shí)相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動。在上述三種情況下，觀測者聽到的聲音頻率都會發(fā)生變化。

以第一種情況為例，設(shè)空氣介質(zhì)中的聲波波速為u，聲源的振動頻率為υ，觀察者接收到的頻率為υ'。當(dāng)聲源以速度us向著靜止的觀察者運(yùn)動時(shí)，它發(fā)出的聲波波面不再是同心圓，而是不斷向著觀測者推進(jìn)，如圖1所示。

這時(shí)，向著觀測者一側(cè)的波被擠壓，波長變短。由于在一個(gè)周期T內(nèi)，聲源向觀測者運(yùn)動了usT的距離，所以在觀測者看來，聲波波長被壓縮為λ'=λ－usT，其中λ是波源相對空氣介質(zhì)不動時(shí)的波長。于是，觀測者耳朵接收到的聲波頻率為：

這表明，當(dāng)聲源朝著觀測者運(yùn)動時(shí)，觀測者接收到的頻率υ'高于聲源頻率υ。而當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測者運(yùn)動時(shí)，由于us為負(fù)，因此觀測者接收到的頻率υ'低于聲源頻率υ。當(dāng)快速行駛的列車駛向我們時(shí)，汽笛聲的音調(diào)變高，而離我們遠(yuǎn)去時(shí)汽笛聲的音調(diào)變低，就是基于這個(gè)原理。

再來說一下聲源。當(dāng)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的時(shí)候，聲源頻率是否也改變了呢？當(dāng)然沒有。顯而易見，如果我們不人為地調(diào)節(jié)改變聲源頻率，那么即使聲源處于運(yùn)動狀態(tài)，其頻率也是不會變化的。設(shè)想在剛才的火車上坐著一個(gè)人，他聽到的聲音音調(diào)是不會因?yàn)榛疖囘\(yùn)動而發(fā)生變化的。

多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

多普勒機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng) 多普勒機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)動車輛行駛速度進(jìn)行實(shí)時(shí)、自動測量，并自動記錄車輛行駛時(shí)的速度值、車輛圖像、日期、時(shí)間、地點(diǎn)等相關(guān)信息作為執(zhí)法證明。它的出現(xiàn)，極大地緩解了當(dāng)前交通管理中警力調(diào)配不足的問題，在一定程度上遏制了超速事故的發(fā)生。機(jī)動車自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行測速的原理，就是基于多普勒效應(yīng)。多普勒車速檢測系統(tǒng)向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，然后測量經(jīng)車輛反射折回的反射波頻率，根據(jù)反射波頻率的變化，對應(yīng)多普勒效應(yīng)公式，就可以計(jì)算出車輛的速度（圖2）。

多普勒超聲診斷 多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最為廣泛的應(yīng)用即為彩超技術(shù)。其實(shí)彩超并非看到了人體組織真正的顏色，而是在黑白B超圖像的基礎(chǔ)上，加上以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的“偽彩”而形成的。利用多普勒效應(yīng)，我們能判定超聲圖像中血液的流動方向，以及流速的大小和性質(zhì)，根據(jù)血液的流動方向及速度設(shè)計(jì)色彩，再將這種色彩疊加在二維黑白B超圖像上，就形成了我們今天見到的彩超圖像（圖3）。

宇宙膨脹中的多普勒效應(yīng) 前面說過，多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，也適用于所有類型的波，包括電磁波。20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了銀河系中遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的光線頻率變低的現(xiàn)象，即光線頻率移向光譜的紅光端，稱為紅移（圖4）。這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系，并且天體離開銀河系的速度越快，紅移越大。斯萊弗通過上述現(xiàn)象，推斷旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。多普勒效應(yīng)使人們對距離地球任意遠(yuǎn)天體運(yùn)動的研究成為可能，只要分析一下接收到的光的頻譜即可。1868年，英國天文學(xué)家哈金斯利用這種辦法，測量出天狼星的速度為46千米/秒。