波式傳感器-多普勒傳感器-多普勒效應(yīng)及應(yīng)用

6.3多普勒效應(yīng)及應(yīng)用1.多普勒效應(yīng)2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用課程內(nèi)容1.多普勒效應(yīng)2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用課程內(nèi)容多普勒效應(yīng)（Dopplereffect）“多普勒效應(yīng)”是由奧地利物理學(xué)家克里斯蒂安·多普勒于1842首先發(fā)現(xiàn)并加以研究而得名的，其內(nèi)容為：由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動(dòng)而造成接收者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，也稱多普勒頻移。關(guān)于多普勒效應(yīng)理論有兩種：聲波的多普勒效應(yīng)光波（包括電磁波）的多普勒效應(yīng)

1.多普勒效應(yīng)（1）聲波的多普勒效應(yīng)在日常生活中，我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車或鳴著喇叭的救護(hù)車朝我們開來的時(shí)候，我們會(huì)感到聲音比較尖，一旦從我們身邊離去時(shí)，聲音就會(huì)變粗。事實(shí)上，當(dāng)聲源接近觀察者時(shí)，聲波會(huì)被“壓縮”，聲波的頻率提高；而在遠(yuǎn)離觀察者時(shí)，聲音聽起來就顯得低沉。當(dāng)然，當(dāng)觀察者接近或遠(yuǎn)離固定聲源時(shí)也會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。但我們接近或遠(yuǎn)離聲源的速度如果比較小，耳朵就無法區(qū)分這些細(xì)微的差別。多普勒效應(yīng)示意圖1.多普勒效應(yīng)（2）光波（包括電磁波）的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波。它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng)。因?yàn)榉▏锢韺W(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化。如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移。多普勒-斐索效應(yīng)使人們對距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能，只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1.多普勒效應(yīng)1.多普勒效應(yīng)2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用課程內(nèi)容多普勒效應(yīng)的應(yīng)用根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理可測量運(yùn)動(dòng)物體的速度，如車速、船速、衛(wèi)星速度和流體的流速等。也可根據(jù)光學(xué)多普勒頻移測定天體相對地球的運(yùn)動(dòng)。光源中發(fā)光原子的無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)引起譜線增寬，稱多普線增寬，根據(jù)頻移公式可計(jì)算多普勒增寬與光源溫度的關(guān)系。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（1）多普勒雷達(dá)測速檢查機(jī)動(dòng)車速度的雷達(dá)測速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。如下圖所示，雷達(dá)向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測速儀的警車有時(shí)就停在公路旁，在測速的同時(shí)把車輛牌號(hào)拍攝下來，并把測得的速度自動(dòng)打印在照片上。多普勒雷達(dá)測速原理2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（2）多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在臨床上，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler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)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開探頭時(shí)，反射的聲頻則降低。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流動(dòng)速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測定血液的流速。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用多普勒彩超多普勒彩超聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是平常說的彩超。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先說說超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多普勒和彩色多普勒血流圖像。彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。由此可見，彩色多普勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（3）宇宙學(xué)研究中的多普勒現(xiàn)象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)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度與距地球的距離r成正比，即,H為哈勃常數(shù)。根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小。由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物。因而1948年伽莫夫（G.Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。20世紀(jì)60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。多普勒-斐索效應(yīng)使人們對距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國天文學(xué)家W.哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出了46km/s的速度值。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（4）移動(dòng)通信中的多普勒效應(yīng)在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們在移動(dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動(dòng)速度的局限，不可能會(huì)帶來十分大的頻率偏移，但在衛(wèi)星移動(dòng)通信中，當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí)，頻率變低，而且由于飛機(jī)的速度十分快，所以我們在衛(wèi)星移動(dòng)通信中要充分考慮“多普勒效應(yīng)”。為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。因而也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（5）多普勒天氣雷達(dá)多普勒天氣雷達(dá)的工作原理即以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)降水粒子相對雷達(dá)發(fā)射波束相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以測定接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的高頻頻率之間存在的差異，從而得出所需的信息。運(yùn)用這種原理，可以測定散射體相對于雷達(dá)的速度，在一定條件下反演出大氣風(fēng)場、氣流垂直速度的分布等。這對研究降水的形成，分析中小尺度天氣系統(tǒng)，警戒強(qiáng)對流天氣等具有重要意義。2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（5）多普勒天氣雷達(dá)如右圖所示，天氣雷達(dá)間歇性地向空中發(fā)射電磁波（稱為脈沖式電磁波），它以近于直線的路徑和接近光波的速度在大氣中傳播，在傳播的路徑上，若遇到了氣象目標(biāo)物，脈沖電磁波被氣象目標(biāo)物散射，其中散射返回雷達(dá)的電磁波（稱為回波信號(hào)，也稱為后向散射），在熒光屏上顯示出氣象目標(biāo)的空間位置等的特征。多普勒天氣雷達(dá)工作原理2.多普勒效應(yīng)的應(yīng)用（6）測量流體速率使用效應(yīng)可測量流體速率。當(dāng)聲波在聲束方向被具有流速的目標(biāo)反射時(shí)，目標(biāo)流向聲源時(shí)反射波的頻率較高，而目標(biāo)離開聲源時(shí)反射波的頻率較低。頻率的變化與入射聲束的頻率及目標(biāo)的速度成比例