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认识多普勒效应及其应用

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发表于 2015-6-27 17:21:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

多普勒效应
1842年布拉格的多普勒教授发现了一个物理学上著名的原理:“如果波源或接收波的观察者相对于波传播的媒质而运动时,由观察者所测出的波频率将不等于波源所发送的频率,这个频率偏差取决于波源和观察者之间相对速度的大小和方向”。波传播过程中的这个现象,以后就称为“多普勒效应”。

多普勒效应

多普勒效应


当火车迎面开来时,汽笛的音调听起来高些,而火车背离我们面去时,听起来音调就突然开始降低。汽笛自身的音调并没有改变,而是火车相对于我们运动的结果。如图1所示,假设一个波源频率为f0的波,以速度C在煤质中传播,相邻而波峰之间的时间间隔为T=1/f0称为“振动周期”,如果波源和接收者都不动的话,则接收者也每隔1/f0秒遇到一个波峰,即每秒钟收到f0个波,没有变化。但如果波源朝着接收者或者是接收者朝着波源运动时,情况就不同了。波源与接收者之间的距离随着时间而逐渐缩短,如图1所示,波源在A处发出了某一个波峰,而在A'处发出下一个波峰。所以后者到达接收,占所需要的时间就要比前一个少些,接收者前后收到两个波峰的时间间隔就少于1/f0了,因此每秒钟所收到的波峰数便多于f6个,也就是说,收到的波频率f增高了。

波频率F

波频率F

反之,如果波源或接收者反个方向运动,则二者间的距离随时间不断增大,收到两相邻波峰的时间间隔就要增长,结果接收到的波频率就要降低。

波频率

波频率

两者间的相对运动速度愈大,频率的变化也愈多。通常我们把这两个频率的差(f-f0)称为“多普勒频率”fd。
由于多普勒频率是反映着物体相对运动的结果,所以我们广泛的应用它来测量运动体的速度和寻找运动的目标。下面分几方面来介绍它的应用。

多普勒效应在超声范围内的应用
在现代的舰艇和轮船中差不多都装有超声波水下探测器——声纳。如图2所示,在声纳装置中除了利用距离示波器来观察被测目标的距离和方位,还备有专门的音响装置把回波的超声波信号转变成可听的声音,用扬声器来判断目标的动静。因为当船只进行时观察者和所发现目标之间的距离在不断奕化,这时单靠萤光屏上的回波信号往往不能断定出目标究竟怎么样。根据多普勒效应的原理,运动物体所产生的回波具有频率变化。因此有经验的水声观察员能根据音响装置的音调高低区别出目标是在运动或是静止,以及目标的速度大小和方向。

多普勒效应在超声范围内的应用

多普勒效应在超声范围内的应用

此外,利用多普勒效应的超声装置还可以用来作自动报警用。把它装在室内可以发现室内任何物体的运动,并发出告警信号。这种装置可用在一些人不准进去的装有高电压设备或有危险放射性的地区,以保护人身安全。

多普勒效应在天体观测中的应用
天文学中常常就利用这个原理来测量天体中星座的运动速度。当星球远离地球运动时,根据多普勒原理,由星球上所发出的光频率要降低,所以光谱谱线的波长增长,谱线向红端移动;反之,当星球朝着地球运动时,谱线波长就要变短,向紫端移动,如图3。比较谱线位移数值的大小,就可以测出这个星球的运动方向和视线速度vr(星球速度在我们视线方向上的分量)。根据这种原理,已经测出几千颗星球的速度。

多普勒效应在天体观测中的应用

多普勒效应在天体观测中的应用

在天体中有许多相距非常近的星即所谓“分光双星”,这种“分光双星”在轨道上旋转时,其旋转周期的一半时间内向我们而来;在另一半周期内背离我们而去,根据多普勒原理,前者双星的光谱谱线应向紫端移动,而后者向红端移动,当星球处于轨道上正向我而来或正离我们而去时的那两点谱线位移最大。测出这种谱线的“周期性位移”,就可以定出它们在轨道上各点的速度。绘成“速度曲线”,根据速度曲线就可以计算出它们的轨道来。

多普勒雷达
利用多普勒效应的“多普勒雷达”,具有其他类型雷达所不能替代的特点。
利用脉冲回波从萤光屏上显示出目标距离的脉冲测距雷达,对于具有严重干扰背景的目标很难分辨。在目标附近有树林、山岗、建筑物以及陆地、水面等背景时,萤光屏上会出现一大堆的回波信号,会把真正的目标淹没掉。对于距离很近的目标,由于脉冲宽度的限制,也无法分辨,因为萤光屏上发射波的脉冲和反射波的脉冲叠合在一起了。
使用多普勒雷达时,只有运动的目标才会引起多普勒效应,而固定不动的背景就没有多普勒频率。同时多普勒频率仅与目标的相对运动速度有关,对于距离大小无关。这样就可以排除掉干扰和距离的影响。可以用来搜索低空的飞机和地面上一些移动的物体。

多普勒雷达

多普勒雷达

图4是简单的多普勒雷达系统,雷达发射机发射的电波到达飞机后,有部分电波反射回到接收机天线,这部分的回波经历了两个“旅程”,产生了两次多普勒效应。所以回波的频率f应等于:
频率F等于.png
当飞机朝着雷达方向时多普勒频率为正,反之为负。这个频率经接收机的混频、检波和滤波后,由一个刻有速度的频率表直接指示出飞机的径向速度vr来,根据公式
公式.png
就可以算出飞的水平速度v。同其他类型的雷达一样根据发现目标时天线的角度可以定出自标的方位和仰角。

多普勒雷达系统

多普勒雷达系统

图5是典型的多普勒雷达系统,它采用了超外差接收电路,可以提高雷达的灵敏度和稳定性。
根据同样原理,它也可以作为阵地上的侦察工具。这种雷达的重量很轻,携带方便,适用于夜间侦察或用来侦察烟幕后和伪装下的敌人。当雷达搜索到移动目标时,便接收到频率变化后的回波。经混频、检波和放大后,在耳机中成为一定音调的声音,经验证明,当回波的差频较高时,人的听觉加上耳机是最灵敏的指示器。经过专门训练的人员能根据耳机中音调的差异区别出目标。
给炮弹装上电子“眼睛”,可让它自动决定爆炸地点。这种炮弹就是装有多普勒雷达的电子信管炮弹。

雷达

雷达

如图6信管上的这个雷达,在炮弹射出的瞬间,它会自动启动工作,通过天线不断的向前方发射和接收电波。当炮弹逐渐接近目标时,多普勒频率的电振荡也不断增强,在目标进入炮弹的有效爆炸范围以后,电振荡强度就足以触发雷管,使炮弹爆炸。
这种长了“眼睛”的炮弹只要在发射方向误差不太大,它就会在接近目标时自动爆炸。在必要时这种炮弹还会向目标发出询问信号,具有识别敌我的能力,碰到自己方面的飞机,它不会爆炸。
由于多普勒频率能准确反映运动物体的速度而与其它因素无关。可以用它来测量导弹、火箭、飞机、鱼雷、炮弹等高速运动体的速度,可以通过它对导弹速度的测量来自动修正导体的发射距离,还可以用它测量车辆的速度。在车辆通行非常频繁的十字街头,要正确地指挥车辆通行并减少车辆的等待时间,也可以用多普勒雷达。当车辆进入它的电波的反射区时,雷达系统分离出回波的多普勒频率,输出到指示设备,控制红绿灯信号来放行车辆。这里仅仅是举的一些例子。随着超短波和超声波技术的飞速发展,多普勒效应的应用也愈来愈广,和我们接触的机会也将愈多。
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