Эффект Доплера

Изменение частоты волны для наблюдателя относительно ее источника Изменение длины волны, вызванное движением источник. Анимация, показывающая, как эффект Доплера заставляет двигатель автомобиля или сирену звучать выше по высоте при приближении, чем при удалении. Красные кружки представляют собой звуковые волны.

	Проезжает автомобильный гудок
Проблемы с воспроизведением этого файла? См. .

Эффект Доплера (или Доплеровский сдвиг ) - это изменение частоты волны по отношению к наблюдателю, который движется относительно источника волны. Он назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера, описавшего это явление в 1842 году.

Типичным примером доплеровского сдвига является изменение высоты тона слышно, когда автомобиль с звуковым сигналом приближается и удаляется от наблюдателя. По сравнению с излучаемой частотой принимаемая частота выше во время подхода, идентична в момент прохождения и ниже во время спада.

Причина эффекта Доплера заключается в том, что когда источником волн является Двигаясь к наблюдателю, каждая последующая волна гребень излучается из позиции, более близкой к наблюдателю, чем гребень предыдущей волны. Следовательно, каждой волне требуется немного меньше времени, чтобы достичь наблюдателя, чем предыдущей. Следовательно, время между приходом последовательных гребней волны к наблюдателю сокращается, вызывая увеличение частоты. Пока они движутся, расстояние между последовательными фронтами волн уменьшается, поэтому волны «собираются вместе». И наоборот, если источник волн удаляется от наблюдателя, каждая волна излучается с позиции, более удаленной от наблюдателя, чем предыдущая волна, поэтому время прихода между последовательными волнами увеличивается, уменьшая частоту. Затем расстояние между последовательными фронтами волн увеличивается, так что волны «растекаются».

Для волн, распространяющихся в среде, например, звуковых волн, скорость наблюдателя и источника зависит от среды, в которой передаются волны. Таким образом, полный эффект Доплера может быть результатом движения источника, движения наблюдателя или движения среды. Каждый из этих эффектов анализируется отдельно. Для волн, не требующих среды, таких как свет или гравитация в общей теории относительности, требуется только относительная разница в скорости между наблюдателем и источником. быть на рассмотрении.

Содержание

• 1 История
• 2 Общие
• 3 Последствия
• 4 Приложения
  • 4.1 Акустический доплеровский профайлер
  • 4.2 Робототехника
  • 4.3 Сирены
  • 4.4 Астрономия
  • 4.5 Радар
  • 4.6 Медицинский
  • 4.7 Измерение потока
  • 4.8 Измерение профиля скорости
  • 4.9 Спутники
  • 4.10 Аудио
  • 4.11 Измерение вибрации
  • 4.12 Биология развития
• 5 Обратный эффект Доплера
• 6 См. Также
• 7 Первичные источники
• 8 Ссылки
• 9 Дополнительная литература
• 10 Внешние ссылки

История

Эксперимент по бюллетеням покупок (1845 г.), изображенный на стене в Утрехте (2019 г.)

Доплер впервые предложил этот эффект в 1842 г. в своем трактате «Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels » (О цветном свете двойных звезд и некоторые другие звезды небесные). Гипотеза была проверена для звуковых волн Buys Ballot в 1845 году. Он подтвердил, что высота звука была выше, чем частота излучаемого звука, когда источник звука приближался к нему, и ниже, чем излучаемая частота когда источник звука удалялся от него. Ипполит Физо независимо обнаружил то же явление на электромагнитных волнах в 1848 году (во Франции эффект иногда называют «effet Doppler-Fizeau», но это название не было принято остальными мир как открытие Физо произошло через шесть лет после предложения Доплера). В Великобритании Джон Скотт Рассел провел экспериментальное исследование эффекта Доплера (1848).

Общие

В классической физике, где скорости источника и приемника относительны. в среду ниже, чем скорость волн в среде, соотношение между наблюдаемой частотой $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$и частотой излучения $f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; text\; \{\; 0\}\}\}$определяется по формуле:

$f\; =\; (c\; \pm \; vrc\; \pm \; vs)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\})\; \}\}\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\; \backslash ,\}$

где

$c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\; \backslash ;\}$- распространение скорость волн в среде;

$vr\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\; \backslash ,\}$- скорость приемника относительно среды, добавленная к $c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\}$, если приемник движется к источнику, вычитается, если приемник удаляется от источника;

$vs\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\; \backslash ,\}$- скорость источника относительно среды, добавленная к $c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\}$, если источник движется от приемника, вычитается, если источник движется к приемнику.

Обратите внимание, что это соотношение предсказывает, что частота будет уменьшаться, если источник или приемник удаляется от другого.

Эквивалентно, в предположении, что источник либо приближается, либо удаляется от наблюдателя:

$fvwr\; =\; f\; 0\; vws\; =\; 1\; \lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{f\}\; \{v\_\; \{wr\}\}\; \}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{f\_\; \{0\}\}\; \{v\_\; \{ws\}\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{\backslash \; lambda\}\}\}$

где

$vwr\; \{\backslash \; displaystyle\; \{v\_\; \{wr\}\}\}$- скорость волны относительно приемника;

$vws\; \{\backslash \; displaystyle\; \{v\_\; \{ws\}\}\}$- скорость волны относительно источника;

$\lambda \; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; lambda\}\}$- длина волны.

Если источник приближается к наблюдателю под углом (но все еще с постоянной скоростью), наблюдаемая частота, которая слышится первой, выше, чем частота излучения объекта. После этого наблюдается монотонное уменьшение наблюдаемой частоты по мере приближения к наблюдателю за счет равенства, когда оно исходит из направления, перпендикулярного относительному движению (и было излучено в точке наибольшего сближения; но когда волна получена, источник и наблюдатель больше не будут находиться на самом близком расстоянии), и продолжающееся монотонное уменьшение по мере удаления от наблюдателя. Когда наблюдатель находится очень близко к траектории объекта, переход от высокой частоты к низкой происходит очень резко. Когда наблюдатель находится далеко от пути объекта, переход от высокой частоты к низкой происходит постепенно.

Если скорости $vs\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\; \backslash ,\}$и $vr\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\; \backslash ,\}$малы по сравнению со скоростью волны, соотношение между наблюдаемой частотой $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$и частотой излучения $f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{\backslash \; text\; \{0\}\}\}$приблизительно

Наблюдаемая частота	Изменение частоты
$f\; =\; (1\; +\; \Delta \; vc)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; v\}\; \{c\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\}$	$\Delta \; f\; =\; \Delta \; vcf\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; f\; =\; \{\backslash \; frac\; \{\backslash \; Delta\; v\}\; \{c\}\; \}\; f\_\; \{0\}\}$

где

$\Delta \; f\; =\; f\; -\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; f\; =\; f-f\_\; \{0\}\; \backslash ,\}$

$\Delta \; v\; =\; -\; (vr\; -\; vs)\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; v\; =\; -\; (v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\; -\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\})\; \backslash ,\}$- это противоположность скорости приемника относительно источника: это положительный, когда источник и приемник движутся навстречу друг другу.

Доказательство

Учитывая $f\; =\; (c\; +\; vrc\; +\; vs)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\; +\; v\_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\}\; \{c\; +\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\; \backslash ,\}$

мы ди см. для $c\; \{\backslash \; displaystyle\; c\}$

$f\; =\; (1\; +\; vrc\; 1\; +\; vsc)\; f\; 0\; =\; (1\; +\; vrc)\; (1\; 1\; +\; vsc)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; гидроразрыва\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\}\; \{c\}\}\}\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\; \{c\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\; \}\; =\; \backslash \; left\; (1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\}\; \{c\}\}\; \backslash \; right)\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\})\; \}\}\; \{c\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\; \backslash ,\}$

Начиная с $vsc\; \ll \; 1\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\; \{c\}\}\; \backslash \; ll\; 1\}$мы можем заменить геометрическое расширение:

$1\; 1\; +\; vsc\; \approx \; 1\; -\; vsc\; \{\backslash \; displaystyle\; \{\backslash \; frac\; \{1\}\; \{1\; +\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\; \}\; \{c\}\}\}\}\; \backslash \; приблизительно\; 1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\; \{c\}\}\}$

• 

  Стационарный источник звука генерирует звуковые волны с постоянной частотой f, а волновые фронты распространяются симметрично от источника с постоянной скоростью c. Расстояние между волновыми фронтами - это длина волны. Все наблюдатели будут слышать одну и ту же частоту, которая будет равна фактической частоте источника, где f = f 0.

• 

  Один и тот же источник звука излучает звуковые волны с постоянной частотой в той же среде. Однако теперь источник звука движется со скоростью υ s = 0,7 c. Поскольку источник движется, центр каждого нового волнового фронта теперь немного смещен вправо. В результате волновые фронты начинают группироваться с правой стороны (перед) и расширяться дальше друг от друга с левой стороны (позади) источника. Наблюдатель перед источником услышит более высокую частоту f = c + 0 / c - 0,7cf 0 = 3,33 f 0, а наблюдатель позади источника услышит более низкую частоту. f = c - 0 / c + 0,7cf 0 = 0,59 f 0.

• 

  Теперь источник движется со скоростью звука в среде (υ s = c). Волновые фронты перед источником теперь сгруппированы в одной точке. В результате наблюдатель перед источником ничего не обнаружит до тех пор, пока источник не прибудет, где f = c + 0 / c - cf 0 = ∞, и наблюдатель позади источника услышит более низкую частоту f = c - 0 / c + cf 0 = 0,5 f 0.

• 

  Источник звука теперь превзошел скорость звука в среде и движется со скоростью 1,4 c. Поскольку источник движется быстрее, чем создаваемые им звуковые волны, он фактически опережает продвигающийся волновой фронт. Источник звука пройдет мимо неподвижного наблюдателя до того, как наблюдатель услышит звук. В результате наблюдатель перед источником обнаружит f = c + 0 / c - 1,4cf 0 = -2,5 f 0, а наблюдатель позади источника услышит более низкая частота f = c - 0 / c + 1.4cf 0 = 0.42 f 0.

Последствия

Если наблюдатель неподвижен относительно среды, если движущийся источник излучает волны с фактическая частота $f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; text\; \{0\}\}\}$(в этом случае длина волны изменяется, скорость передачи волны остается постоянной; обратите внимание, что скорость передачи волна не зависит от скорости источника), тогда наблюдатель обнаруживает волны с частотой $f\; \{\backslash \; displaystyle\; f\}$, задаваемой

$f\; =\; (cc\; \pm \; vs)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\}$

Аналогичный анализ для движущегося наблюдателя и стационарного источника (в этом случае длина волны остается постоянной, но из-за движения скорость, с которой наблюдатель принимает волны, и, следовательно, скорость передачи t волна [относительно наблюдателя] изменяется) дает наблюдаемую частоту:

$f\; =\; (c\; \pm \; vrc)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\; \}\}\}\; \{c\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\}$

Аналогичный анализ для движущегося наблюдателя и движущегося источника (в этом случае длина волны остается постоянной, но из-за движения скорость, с которой наблюдатель принимает волны, и, следовательно, скорость передачи волны [относительно наблюдателя] изменяется) дает наблюдаемую частоту:

$f\; =\; (cc\; \pm \; vs)\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; =\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\}\}\; \backslash \; right)\}$×$(c\; \pm \; vrc)\; f\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{c\; \backslash \; pm\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{r\}\}\}\; \{c\}\}\; \backslash \; right)\; f\_\; \{0\}\}$

Предполагая, что наблюдатель находится в неподвижном состоянии, а источник движется со скоростью звука, уравнение Доплера предсказывает воспринимаемую мгновенно бесконечную частоту наблюдателем перед источником, движущимся со скоростью звука. Все пики находятся в одном месте, поэтому длина волны равна нулю, а частота бесконечна. Это наложение всех волн создает ударную волну, которая для звуковых волн известна как звуковой удар.

. Когда источник движется со скоростью, превышающей скорость волны, источник опережает волну. Уравнение может давать значения отрицательной частоты, но -500 Гц почти то же самое, что +500 Гц для наблюдателя.

Лорд Рэлей предсказал следующий эффект в своей классической книге о звуке: если источник движется к наблюдателю со скоростью, вдвое превышающей скорость звука, музыкальная пьеса, излучаемая этим источником, будет слышна в нужное время и в нужное время, но наоборот. Эффект Доплера со звуком отчетливо слышен только с объектами, движущимися с высокой скоростью, так как изменение частоты музыкального тона включает скорость около 40 метров в секунду, а небольшие изменения частоты можно легко спутать с изменениями амплитуды звуков. от движущихся излучателей. Нил Дауни продемонстрировал, как эффект Доплера можно сделать намного более слышимым с помощью ультразвукового излучателя (например, 40 кГц) на движущемся объекте. Затем наблюдатель использует гетеродинный преобразователь частоты, который используется во многих детекторах летучих мышей, для прослушивания диапазона около 40 кГц. В этом случае, когда детектор летучих мышей настроен на частоту для стационарного излучателя 2000 Гц, наблюдатель будет воспринимать сдвиг частоты всего тона, 240 Гц, если излучатель движется со скоростью 2 метра в секунду.

Применения

Акустический доплеровский профилировщик тока

акустический доплеровский профайлер (ADCP) представляет собой гидроакустический ток метр, похожий на сонар, используемый для измерения скорости течения воды скорости в диапазоне глубин с использованием эффекта Доплера звуковые волны, рассеянные частицами в толще воды. Термин ADCP является общим термином для всех акустических профилометров тока, хотя аббревиатура происходит от серии инструментов, представленных RD Instruments в 1980-х годах. Диапазон рабочих частот ADCP составляет от 38 кГц до нескольких мегагерц. Устройство, используемое в воздухе для определения профиля скорости ветра с помощью звука, известно как SODAR и работает по тем же основным принципам.

Робототехника

Динамическое планирование пути в робототехнике в реальном времени, чтобы помочь роботам перемещаться в сложной среде с движущимися препятствиями, часто использует эффект Доплера. Такие приложения специально используются для соревновательной робототехники, где окружающая среда постоянно меняется, например, в робототехнике.

Сирены

Воспроизвести медиа Сирены при проезжающих машинах скорой помощи.

A сирена на проезжающей машине экстренной помощи начнется выше, чем его стационарный шаг, скользит вниз по мере того, как он проходит, и продолжает двигаться ниже своего стационарного шага по мере удаления от наблюдателя. Астроном Джон Добсон объяснил эффект так:

Сирена скользит по той причине, что она не попадает в вас.

Другими словами, если сирена приближается к наблюдателю напрямую, высота звука останется постоянным, на более высоком, чем стационарный, шаге, пока транспортное средство не ударит его, а затем немедленно перейти на новый более низкий шаг. Поскольку транспортное средство проезжает мимо наблюдателя, радиальная скорость не остается постоянной, а вместо этого изменяется в зависимости от угла между его линией обзора и скоростью сирены:

$v\; radial\; =\; vs\; \cdot \; cos\; \; \theta \; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{\backslash \; text\; \{radial\}\}\; =\; v\; \_\; \{\backslash \; text\; \{s\}\}\; \backslash \; cdot\; \backslash \; cos\; \{\backslash \; theta\}\}$

, где $\theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\}$- угол между скорость движения объекта и луч зрения от объекта до наблюдателя.

Астрономия

Красное смещение спектральных линий в оптическом спектре сверхскопления далеких галактик (справа) по сравнению с Солнцем (слева)

Эффект Доплера для электромагнитных волн, таких как свет, очень полезен в астрономии и приводит к так называемому красному смещению или синее смещение. Он использовался для измерения скорости, с которой звезды и галактики приближаются или удаляются от нас; то есть их лучевые скорости. Это может использоваться для определения того, является ли кажущаяся одиночной звездой на самом деле близкой двойной, для измерения скорости вращения звезд и галактик или для обнаружения экзопланет. Это красное и синее смещение происходит в очень малых масштабах. Если бы объект двигался к Земле, невооруженным глазом не было бы заметной разницы в видимом свете.

Обратите внимание, что красное смещение также используется для измерения расширения пространства, но что это не действительно эффект Доплера. Скорее, красное смещение из-за расширения пространства известно как космологическое красное смещение, которое может быть выведено исключительно из метрики Робертсона-Уокера в формализме общей теории относительности. Сказав это, также случается, что существуют обнаруживаемые эффекты Доплера в космологических масштабах, которые, если их неправильно интерпретировать как космологические по происхождению, приводят к наблюдению искажений в пространстве красного смещения.

Использование эффекта Доплера для света в астрономии зависит от наших знаний о том, что спектры звезд неоднородны. Они демонстрируют линии поглощения на четко определенных частотах, которые коррелируют с энергиями, необходимыми для возбуждения электронов в различных элементах с одного уровня на другой. Эффект Доплера узнаваем по тому факту, что линии поглощения не всегда находятся на частотах, которые получены из спектра стационарного источника света. Поскольку синий свет имеет более высокую частоту, чем красный свет, спектральные линии приближающегося астрономического источника света демонстрируют синее смещение, а линии удаляющегося астрономического источника света демонстрируют красное смещение.

Среди ближайших звезд наибольшие лучевые скорости относительно Солнца составляют +308 км / с (также известное как LHS 52, 81,7 световых года далеко) и −260 км / с (также известный как Wolf 1106 и LHS 64, на расстоянии 78,2 световых лет). Положительная лучевая скорость означает, что звезда удаляется от Солнца, отрицательная - что она приближается.

Радар

Эффект Доплера используется в некоторых типах радаров для измерения скорости обнаруженных объектов. Луч радара направлен на движущуюся цель - например, легковой автомобиль, поскольку полиция использует радар для обнаружения автомобилистов с превышением скорости - когда он приближается или удаляется от источника радара. Каждая последующая радиолокационная волна должна распространяться дальше, чтобы достичь автомобиля, прежде чем отражаться и повторно обнаруживаться около источника. По мере того, как каждая волна должна двигаться дальше, промежуток между каждой волной увеличивается, увеличивая длину волны. В некоторых ситуациях луч радара попадает в движущийся автомобиль по мере его приближения, и в этом случае каждая последующая волна проходит меньшее расстояние, уменьшая длину волны. В любой ситуации расчеты эффекта Доплера точно определяют скорость автомобиля. Более того, бесконтактный взрыватель, разработанный во время Второй мировой войны, использует доплеровский радар для детонации взрывчатых веществ в правильное время, высоту, расстояние и т. Д.

Поскольку доплеровский сдвиг влияет на падающую волну на цель, а также волна, отраженная обратно на радар, изменение частоты, наблюдаемое радаром, из-за движения цели с относительной скоростью $\Delta \; v\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; v\}$вдвое больше, чем от той же цели, излучающей волну:

$\Delta \; f\; =\; 2\; \Delta \; vcf\; 0\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; Delta\; f\; =\; \{\backslash \; frac\; \{2\; \backslash \; Delta\; v\}\; \{c\}\}\; f\_\; \{0\}\}$.

Медицина

Цветное ультразвуковое исследование (допплерография) сонной артерии - сканер и экран

эхокардиограмма может в определенных пределах дать точную оценку направление кровотока и скорость кровотока и сердечной ткани в любой произвольной точке с использованием эффекта Доплера. Одно из ограничений состоит в том, что ультразвуковой луч должен быть как можно более параллелен кровотоку. Измерения скорости позволяют оценивать площади и функции сердечных клапанов, нарушения связи между левой и правой стороной сердца, утечку крови через клапаны (клапанную регургитацию) и вычислять сердечный выброс. Ультразвук с усиленным контрастом с использованием газонаполненного микропузырькового контрастного вещества может использоваться для улучшения скорости или других медицинских измерений, связанных с потоком.

Хотя «Допплер» стал синонимом «измерения скорости» в медицинская визуализация, во многих случаях измеряется не частотный сдвиг (доплеровский сдвиг) принимаемого сигнала, а фазовый сдвиг (когда поступает принятый сигнал).

Также используются измерения скорости кровотока в других областях медицинской ультрасонографии, таких как акушерское ультразвуковое исследование и неврология. Измерение скорости кровотока в артериях и венах на основе эффекта Доплера - эффективный инструмент для диагностики сосудистых проблем, таких как стеноз.

Измерение кровотока

Такие инструменты, как лазерный доплеровский измеритель скорости (LDV) и акустический доплеровский измеритель скорости (ADV) были разработаны для измерения скоростей в потоке жидкости. LDV излучает световой луч, а ADV излучает ультразвуковой акустический всплеск и измеряет доплеровский сдвиг длин волн отражений от частиц, движущихся с потоком. Фактический расход рассчитывается как функция скорости и фазы воды. Этот метод позволяет проводить измерения расхода без вмешательства пользователя с высокой точностью и высокой частотой.

Измерение профиля скорости

Первоначально разработанный для измерения скорости в медицинских приложениях (кровоток), ультразвуковая допплеровская скорость (UDV) может измерять полный профиль скорости в реальном времени практически в любых жидкостях, содержащих частицы в суспензии. такие как пыль, пузырьки газа, эмульсии. Потоки могут быть пульсирующими, колеблющимися, ламинарными или турбулентными, стационарными или переходными. Этот метод полностью неинвазивен.

Спутники

Возможные доплеровские сдвиги в зависимости от угла места (LEO : высота орбиты $h\; \{\backslash \; displaystyle\; h\}$= 750 км). Фиксированная наземная станция.

Геометрия для эффектов Доплера. Переменные: $vmob\; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{mob\}\}$- скорость мобильной станции, $v\; S\; при\; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{Sat\}\}$- это скорость спутника, $vrel,\; sat\; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{rel,\; sat\}\}$- относительная скорость спутника, $\varphi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; phi\}$- угол места спутника, а $\theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\}$- направление движения относительно спутника.

Эффект Доплера на мобильный канал. Переменные: $fc\; =\; c\; \lambda \; c\; \{\backslash \; displaystyle\; f\_\; \{c\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{c\}\; \{\backslash \; lambda\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{c\}\}\}\}\}$- несущая частота, $е\; D,\; max\; =\; vmob\; \lambda \; c\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{D,\; max\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{mob\}\}\}\; \{\backslash \; lambda\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{c\}\}\}\}\; \}$- это максимальный доплеровский сдвиг из-за движения мобильной станции (см. Доплеровский диапазон ) и $f\; D,\; S\; в\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{D,\; Sat\}\; \}\}$- это дополнительный доплеровский сдвиг из-за движения спутника.

Доплеровский сдвиг можно использовать для спутниковой навигации, например, в Transit и ДОРИС. Это также необходимо компенсировать в спутниковой связи. Быстро движущиеся спутники могут иметь доплеровский сдвиг на десятки килогерц относительно наземной станции. Скорость, а значит, и величина эффекта Доплера, изменяется из-за кривизны земли. Используется динамическая доплеровская компенсация, при которой частота сигнала постепенно изменяется во время передачи, поэтому спутник принимает сигнал постоянной частоты. После осознания того, что допперовский сдвиг не рассматривался до запуска зонда Гюйгенса миссии Кассини – Гюйгенса 2005 года, траектория зонда была изменена для приближения к Титану таким образом, что его передачи проходили перпендикулярно направлению его движения относительно Кассини, что значительно уменьшало доплеровский сдвиг.

Доплеровский сдвиг прямого пути можно оценить по следующей формуле:

$f\; D,\; dir\; =\; vmob\; \lambda \; c\; соз\; \; \varphi \; cos\; \; \theta \; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{D,\; dir\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{mob\}\}\}\; \{\backslash \; lambda\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{c\}\}\}\; \}\; \backslash \; cos\; \backslash \; phi\; \backslash \; cos\; \backslash \; theta\}$

где $vmob\; \{\backslash \; displaystyle\; v\_\; \{mob\}\}$- скорость мобильной станции, $\lambda \; c\; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; lambda\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{c\}\}\}$- длина волны несущей, $\varphi \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; phi\}$- угол места спутника, а $\theta \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; theta\}$- направление движения относительно спутника.

Дополнительный доплеровский сдвиг из-за движения спутника можно описать как:

$f\; D,\; sat\; =\; vrel,\; sat\; \lambda \; c\; \{\backslash \; displaystyle\; f\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{D,\; sat\}\}\; =\; \{\backslash \; frac\; \{v\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{rel,\; sat\}\}\}\; \{\backslash \; lambda\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{c\}\}\}\}\}$

где $vrel,\; sat\; \{\backslash \; displaystyle\; v\; \_\; \{\backslash \; rm\; \{rel,\; sat\}\}\}$- относительная скорость спутника.

Аудио

динамик Лесли, который чаще всего ассоциируется и преимущественно используется со знаменитым органом Хаммонда, использует эффект Доплера за счет использования электродвигатель, вращающий акустический рожок вокруг громкоговорителя, посылая звук по кругу. Это приводит к быстрому изменению частот клавишных нот в ухе слушателя.

Измерение вибрации

A лазерный доплеровский виброметр (LDV) - это бесконтактный прибор для измерения вибрации. Лазерный луч от LDV направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота колебаний извлекаются из доплеровского сдвига частоты лазерного луча из-за движения поверхности.

Биология развития

Во время сегментации позвоночных эмбрионов, волны экспрессии генов охватывают поперек пресомитовой мезодермы, ткань, из которой формируются предшественники позвонков (сомиты ). Новый сомит образуется по прибытии волны на переднем конце пресомитной мезодермы. У рыбок данио было показано, что укорочение пресомитной мезодермы во время сегментации приводит к эффекту Доплера, поскольку передний конец ткани перемещается в волны. Этот эффект Доплера вносит вклад в период сегментации.

Обратный эффект Доплера

С 1968 года такие ученые, как Виктор Веселаго, размышляли о возможности обратного эффекта Доплера. Величина доплеровского сдвига зависит от показателя преломления среды, через которую проходит волна. Но некоторые материалы способны к отрицательной рефракции, что должно приводить к доплеровскому сдвигу, который работает в направлении, противоположном направлению обычного доплеровского сдвига. Первый эксперимент, обнаруживший этот эффект, был проведен Найджелом Седдоном и Тревором Беарпарком в Бристоле, Соединенное Королевство в 2003 году. Позже обратный эффект Доплера наблюдался в некоторых неоднородных материалах и предсказывался внутри Вавилова-Черенкова. конус.

См. также

• Дифференциальный эффект Доплера
• Доплеровское охлаждение
• Доплерограф
• Затухание
• Эксперимент Физо
• Фотоакустический эффект Доплера
• Рэлеевское затухание
• Красное смещение
• Лазерная доплеровская визуализация
• Релятивистский эффект Доплера

Первичные источники

Ссылки

Дополнительная литература

• Доплер, К. (1842). Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels (О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд неба). Издатель: Abhandlungen der Königl. Бём. Gesellschaft der Wissenschaften (V. Folge, Bd. 2, S. 465–482) [Труды Королевского богемского общества наук (часть V, том 2)]; Прага: 1842 г. (переиздано в 1903 г.). В некоторых источниках 1843 год упоминается как год публикации, поскольку в этом году статья была опубликована в Proceedings of the Bohemian Society of Sciences. Сам Доплер называл эту публикацию «Prag 1842 bei Borrosch und André», потому что в 1842 г. он напечатал предварительное издание, которое он распространял независимо.
• «Доплер и эффект Доплера», EN da C. Andrade, Endeavour Vol. XVIII № 69, январь 1959 г. (опубликовано ICI London). Исторический отчет о первоначальной статье Доплера и последующих разработках.
• Адриан, Элени (24 июня 1995 г.). "Эффект Доплера". NCSA. Архивировано из оригинала 12 мая 2009 г. Получено 13 июля 2008 г.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с эффектом Доплера на Wikimedia Commons

• Эффект Доплера, ScienceWorld