聲音多普勒效應(yīng)辨析2012課件

聲音多普勒效應(yīng)辨析（2012－6－）王紹符新概念基礎(chǔ)物理一、似是而非引發(fā)困惑聲源不動(dòng),介質(zhì)（空氣）靜止，觀察者以速度v向著聲源運(yùn)動(dòng).式中f′和f，分別代表觀察者感受到的頻率和聲源的振動(dòng)頻率.

聲音在介質(zhì)中的傳播速度為θ.“觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)”，觀察者聽到的聲音頻率是觀察者不動(dòng),介質(zhì)（空氣）靜止，聲源以速度u向著觀察者運(yùn)動(dòng).在這種情況“聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)”和上述“觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)”似乎應(yīng)當(dāng)是等效的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，只不過前者相對(duì)速度為θ+v，而后者相對(duì)速度為θ+u.

如此說來，仿照上面的計(jì)算式，觀察者感受到的聲音頻率應(yīng)當(dāng)是然而，這是錯(cuò)誤的，正確的是問題何在？？？一、探本求源辨析真相需要澄清的幾個(gè)問題1.聲音是什么，是聲源的振動(dòng)還是介質(zhì)中的聲波？需要澄清的幾個(gè)問題1.聲音是什么，是聲源的振動(dòng)還是介質(zhì)中的聲波？2.觀察者感受到的聲音頻率是否等于聲源的頻率或聲波的頻率？3.聲音的傳播速度是否與聲源的運(yùn)動(dòng)速度疊加？4.引起多普勒效應(yīng)的根源是觀察者與聲源之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)？還觀察者與介質(zhì)（聲波），或聲源與介質(zhì)（聲波）之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)？需要澄清的幾個(gè)問題1.聲音是什么，是聲源的振動(dòng)還是介質(zhì)中的聲波？2.觀察者感受到的聲音頻率是否等于聲源的頻率或聲波的頻率？3.聲音的傳播速度是否與聲源的運(yùn)動(dòng)速度疊加？1.聲音是人對(duì)聲波的主觀感受，它的客觀實(shí)質(zhì)是一定頻率的機(jī)械波.

聲音是人（還有其他動(dòng)物，以及少數(shù)植物）的主觀感受，它的客觀實(shí)質(zhì)不是聲源的振動(dòng)，而是一定頻率范圍的機(jī)械波，也就是我們常說的可聞聲波.聲音現(xiàn)象不僅僅是物理過程，它還包括生理甚至心理過程.聲音的傳播速度是介質(zhì)中機(jī)械波（聲波）的運(yùn)動(dòng)速度，其大小由介質(zhì)（介質(zhì)的種類、溫度、壓力以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等）決定.聲音的傳播速度θ與聲波頻率f,波長λ的關(guān)系為就是說，在確定的介質(zhì)中聲速不變，而波長與頻率成反比.3.聲音的傳播速度與聲源無關(guān)聲波與聲源的運(yùn)動(dòng)速度不相疊加.也就是說并不存在“聲源帶著聲波走”的問題，事實(shí)上聲波的運(yùn)動(dòng)速度與聲源無關(guān).這與我們常討論的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，例如，在行進(jìn)的列車上人的運(yùn)動(dòng)速度要與列車的運(yùn)動(dòng)速度相疊加不同.人車的例子是物體的運(yùn)動(dòng)，而機(jī)械波是波形的遷移，屬于連續(xù)介質(zhì)問題，二者不可混為一談.

聲源的振動(dòng)并不是聲音，聲音是介質(zhì)中的機(jī)械波.聲源所起的作用是激起聲波，但聲波存在于介質(zhì)中，聲波的載體是介質(zhì)而不是聲源，聲波并不隨聲源一起運(yùn)動(dòng).

這就像在靜止的湖面上駕駛一條小船，當(dāng)用槳擊打水面時(shí)，在水面上會(huì)激起一系列水波.而水波存在于水中，水波的載體是水而不是船或槳，水波的傳播速度由水來決定，而與船或漿無關(guān).聲波的載體是介質(zhì)而不是聲源；聲波存在于介質(zhì)中而不在聲源上.

多普勒效應(yīng)的發(fā)生是由于觀察者與介質(zhì)（聲波）之間，或聲源與介質(zhì)（聲波）之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的緣故，而不是由于觀察者與聲源之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的.問題何在？？？就在這里！?。《?、分析過程理順關(guān)系圖1聲源不動(dòng),介質(zhì)靜止，觀察者以速度v向著聲源運(yùn)動(dòng)圖1所示為聲源不動(dòng),介質(zhì)靜止，觀察者以速度v向著聲源運(yùn)動(dòng)的聲波圖形.問題就在這里——觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)而在觀察者以速度v向著聲源運(yùn)動(dòng)的情況下，雖然介質(zhì)中聲波的波形沒有變化，波長λ也沒有變化，但是觀察者對(duì)介質(zhì)（聲波）發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而人耳感受到的聲波的傳播速度（相對(duì)速度）變成了θ+v，所以人耳感受到的頻率為以上兩式相比可得此例中給出的條件是觀察者向聲源運(yùn)動(dòng)，v>0，f′>f，觀察者感受的頻率增加，聽到的音調(diào)升高；如果觀察者遠(yuǎn)離聲源運(yùn)動(dòng)，v<0，f′<f，觀察者感受的頻率減小，聽到的音調(diào)降低.在此例中聲源的振動(dòng)頻率與介質(zhì)中聲波的頻率相同，皆為f，而觀察者感受到聲波刺激的頻率f′卻不同于聲源振動(dòng)的頻率，也不同于介質(zhì)中聲波的頻率.這是由于觀察者與介質(zhì)（聲波）發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)的緣故.觀察者與聲源發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)只是表面現(xiàn)象，并非產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的根本原因.

圖2觀察者不動(dòng),介質(zhì)靜止，聲源以速度u向著觀察者運(yùn)動(dòng)圖2所示為觀察者不動(dòng),介質(zhì)靜止，聲源以速度u向著觀察者運(yùn)動(dòng)的聲波圖形.問題就在這里——聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)設(shè)想在某段時(shí)間t內(nèi)，聲源不動(dòng)時(shí)，在聲源與觀察者之間的介質(zhì)中聲波傳播的距離為θt.現(xiàn)在由于聲源的運(yùn)動(dòng)，在(θ–u)t的距離以內(nèi)，擠下了原來θt

距離內(nèi)的所有聲波.波長的壓縮比為聲波原來的頻率為由于介質(zhì)中聲波的傳播速度不變，波形發(fā)生了擠壓之后，其頻率變?yōu)橛梢陨细魇接羞M(jìn)而可得從以上過程分析可以清楚地看出，聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是由于聲源與介質(zhì)發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，改變了介質(zhì)中聲波的波長，與觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果根本不同.因而不存在等效的問題.上述聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)實(shí)例在一般情況下，θ>u，f′>f，觀察者感受的頻率增加，聽到的音調(diào)升高；如果聲源遠(yuǎn)離觀察者而去時(shí)，u取負(fù)值，f′<f，觀察者感受的頻率減小，聽到的音調(diào)降低.如果介質(zhì)靜止，聲源以速度u，觀察者以速度v相向運(yùn)動(dòng)，參考以上分析則可得到即當(dāng)聲源、介質(zhì)、觀察者三者都運(yùn)動(dòng)，且介質(zhì)速度為w，方向由聲源指向觀察者時(shí)，則有此式為綜合表達(dá)式，依據(jù)不同的條件從此式可導(dǎo)出以上各計(jì)算式.各式的中“+”“-”符號(hào)均為運(yùn)算符號(hào)，不表示速度方向；各速度均為對(duì)地的速度，其方向均為文中給出的方向；如果聲源、介質(zhì)、觀察者三者各自速度的方向并不都在聲源與觀察者的連線上，則對(duì)上述各式中的各個(gè)速度應(yīng)理解為沿連線方向的分量，如反向則應(yīng)取負(fù)值.附錄——激波音障聲爆當(dāng)聲源（如航空器）達(dá)到聲速時(shí)，將會(huì)追上自身發(fā)出的聲波.聲波在介質(zhì)中堆積，形成激波，對(duì)航空器的運(yùn)行造成障礙，稱為音障.聲源（如航空器）達(dá)到聲速時(shí)在其前方的觀察者聽不到聲音.過后傳到觀察者的激波有如爆炸一般，稱為音爆或聲爆.強(qiáng)烈的音爆會(huì)造成建筑物的破壞.附錄——激波音障聲爆當(dāng)聲源（如航空器）達(dá)到聲速時(shí)，將會(huì)追上自身發(fā)出的聲波.聲波在介質(zhì)中堆積，形成激波，對(duì)航空器的運(yùn)行造成障礙，稱為音障.聲源（如航空器）達(dá)到聲速時(shí)在其前方的觀察者聽不到聲音.過后傳到觀察者的激波有如爆炸一般，稱為音爆或聲爆.強(qiáng)烈的音爆會(huì)造成建筑物的破壞.當(dāng)聲源（如航空器）的速度達(dá)到聲速時(shí)，周邊的空氣因聲波堆積而呈現(xiàn)高壓狀態(tài)形成音障.但