多普勒效应及其应用

(内蒙古农业大学理学院，内蒙古 呼和浩特 010018)
摘 要： 介绍了多普勒效应的分类，重点讲述了超声波的多普勒效应，并且介绍了多普勒效应在各领 域中的应用及多普勒效应的应用原理。
关键词：多普勒效应；电磁波；超声波；声纳；超声波诊断；激光冷却
中图分类号：TB559  文献标识码：A  文章编 号：1007—6921(2008)19—0104—01

我们在日常生活和科学观测中，经常会遇到波源和观测者相对于介质而运动的情况。例如， 火车汽笛的音调，在接近观察者时比其远离时为高，这种因波源或观察者相对于介质的运动 ，而使观察者接收到的频率有所变化的现象有奥地利物理学家多普勒（christian doppler ）在1842年首先发现的，故称多普勒效应。
1 多普勒效应的分类及应用
1.1 机械波的多普勒效应

机械波的多普勒效应可分为：①波源不动，观察者相对于介质运动； ②波源运动，观察者不动；③波源和观察者同时运动。
1.2 电磁波的多普勒效应

1842年多普勒首先在声学上发现多普勒效应后，1930年开始将这一规律运用到电磁波范围。 1938年电磁波的多普勒效应才得到证实。多普勒效应的含义是指当波源和接收器之间有相对 运动时，所接受到的频率不等于波源振动的频率的现象。
1.3 冲击波 

冲击波是指飞机，炮弹等以超音速飞行时都会在空中产生冲击波。过强的冲击波能使掠过地 区的物体遭到损坏，这一现象叫做“声暴”。

多普勒效应是波动过程的共同特征。不仅机械波有多普勒效应，电磁波有多普勒效应，超声 波也有多普勒效应 。其中电磁波和光波的多普勒效应有着广泛应用。
2 超声波的多普勒效应及应用
2.1 超声波的产生

频率高与人类听觉上限频率的声波称为超声波。超声波最明显的传播特性就 是方向性很好，视线能定向传播，穿透本领很大，在液固体中传播是衰减很小。在波透明的 固体中能传播几十米，超声波碰到杂质或介质分解面有显著的反射。此特性使得超声波成为 探伤，定位等技术的一个重要工具。
2.2 超声波无损检测主要是利用超声波在界面反射

在材料中的穿透力和传播方向性好的特 点。超声波探伤是通过型号往返于缺陷的传播时间来确定缺陷与表面的距离，通过回波信号 的幅度和发射换能器的位置来确定大小和方向。（A扫描法，脉冲反射发），B扫描法可显示 工件内部缺陷的纵截面徒刑，C扫描法可显示工件内部缺陷的横截面图形。就他的无理性而 言，用超声波法可无损检测厚度，材料硬度，硬磁深度，晶粒度，液体和流量残余应力和胶 结强度。
2.3 超声波在医学上的直接运用是医学诊断

超声诊断的物理基础，主要是利用超声波在界 面的反射，由于人体内部位置与器官的声阻抗不同，超声波进出器官时在界面上形成不同频 率的反射波。当器官发生病变或异物时由于形状位置和声阻抗的变化，街面上的反射波的强 度和位置也发生了改变，临床就是利用这一特点来进行诊断。

超声全息照相为医学提供了不同于x射线和同位素扫描的一种全新诊断技术，x射线和同位素 诊断对于人体会产生一定的危害，但超声全息技术通常使用的最高功率范围仅为每平方厘米 击败毫瓦，实验证明这样低的超声功率对人体组织不会有损害。利用X射线对于骨骼、胃肠 、肾和血管等进行诊断时，病人要服造影剂或其他措施，以获得由对比度的照片。在同位素 诊断中，病人要口服或注射同位素， 这些都会给病人带来不舒适的感觉。在美国，L.weiss 等人应用液面超声波全息照相装置对老鼠腹部肿瘤进行了观测，（肿瘤是人工移植的）51个 肿瘤中可看到49个，确诊率达到96%，确诊肿瘤中用X射线仅能看到一半。

超声波诊断简易、迅速且对患者无伤害、无痛苦，特别是对人体软组织的诊断最为有效。分 辨率比X射线好，但对气体的衰减比液体、固体中的衰减大得多，所以对含有气体的俄器官 。比如肺、肠等骨骼部位就难以诊断，所以在超声诊断时为了减少探头与人体皮肤之间引起 梯层而引起的衰减，皮肤与探头之间涂以润滑油。多普勒血流计是医学常用的仪器。原理是 ：超声探头产生波束，由于超声波具有较强的穿透本领，透过皮肤射入血管，碰到血细胞产 生散射其中发射方向返回的散射伯杯探头接收。若探头频率为f0，血流速度为υ，夹 角θ，超声波在人体组织的传播速度为v1则多普勒效 应可知接受其受到的频率f为：


2.4  超声波的多普勒效应在海洋开发方面也有很大应用

①检测海洋污染，利用记录声波散射强度，可以判断海洋污染程度，分析废物污染速度等； ②测绘海底地貌，特别现今随着光纤技术的飞速发展铺设海底光缆对海地地貌勘测已成为一 项十分迫切的前期工作；③海洋声学遥感，非声学海洋遥感。例如微波，红外及卫星遥 感等共同缺点是穿透海洋内部，但超声波可达到海底深处，从而测得整个海洋空间和海地参 数。
2.5 超声波的多普勒效应在军事上应用广泛

1950年人们研制出第一代多普勒雷达，这对飞 行器自备式导航开辟了广阔前景。现如今多普勒雷达将成为了各类飞行器自备式导航的必须 设备，并且在未来反侵略战争和空间开发技术中，发挥更大的作用，给出更准确更可靠的导 航信息。声纳是利用声波进行导航预测距的意思。多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种 利用水下波来测速和计程的精密仪器。用声纳可以水下侦察，从发射机电信号转换成声波信 号又遇到潜水艇、水雷、鱼群等反射回来就能确定目标的位置。二战中损失了1000多艘潜艇 ，其中大部分都是被声纳发现的，因此把声纳装在潜艇上，搜索潜艇、探雷担当警戒充当耳 目。

激光测速利用的是光波的多普勒效应，除此之外激光冷却原子的主要思想是“多普勒冷 却”的基本机制，最重要的原理。激光冷却和中性原子捕县的两个重要应用是原子被激光发 散射和原子喷泉。北京大学已成功实现了原子喷泉，其意义极为深远，因而原子喷泉可做成 准确度极高的原子钟。每三千万年时间里可往返误差为一秒。这是建设我国独立自主时间频 率系统，是我国自主控制时间和空间基准的重要设备。

现今电磁波和光波的多普勒效应在先进的技术领域有着广泛应用。从相同元素的光谱比较能 够计算“退行”速度。在“大爆炸”宇宙学理论的重要证据。电磁波多普勒效应还用于，汽 车速度监测和跟踪人造卫星，地球卫星等。因此了解多普勒效应，利用多普勒效应对人类科 学发展，探索大自然都有着深刻意义。他会给人类社会发展带来巨大财富。
［参考文献］
［1］ 冯若，汪荫棠.超声治疗学［M］.北京：中国医药出版社，1994.
［2］ 马延均.现代物理技术［M］.北京：国防工业出版社，2002.
［3］ 杨植宗.多普勒效应与多普勒雷达［J］.物理通报，2003，（2）.