【正文】 過對多普勒效應(yīng)的學(xué)習(xí)，了解多普勒效應(yīng)的發(fā)展?fàn)顩r、綜合介紹多普勒效應(yīng)的具體應(yīng)用、總結(jié)多普勒效應(yīng)的一般公式。強(qiáng)大的聲音給我們聽覺上的震撼，弱小的聲音讓我們屏息凝神，高揚(yáng)的聲音讓我們心情開闊，低聲的沉靜讓我們陷入沉思。從電影的觀賞角度而言，將受眾納入到電影空間之后，傳統(tǒng)的電影觀念中關(guān)于畫內(nèi)空間與畫外空間的劃分界限變得模糊起來，電影聲音的空間觀念有了一次新的革新：關(guān)于銀幕畫框像“窗口”一樣的心理認(rèn)同不能成立，因?yàn)槭鼙姶藭r是處于電影的時空之中，銀幕越來越像觀眾的眼睛一樣，畫外的存在變成電影欣賞者眼睛所不及之處，周圍真實(shí)的聲音效果，就像是欣 賞者處于事件的發(fā)生現(xiàn)場，銀幕上的一切，就是觀眾處于那個場景中所看到的一切。這種效果應(yīng)用于影視作品之中，產(chǎn)生非凡真實(shí)的震撼效果。當(dāng)然還有燈光效果，在聲效上往 往會利用電子合成器來模擬多普勒效應(yīng)，即模擬一種物體由遠(yuǎn)即近，或由近及遠(yuǎn)時的聲音效果，從而給受眾一種真實(shí)感受。影片的情節(jié)驚險刺激，場面宏大，痛快淋漓，這一切的效果除了通過演員的特技表演和場面的襯托來實(shí)現(xiàn)外，另外重要的一點(diǎn)，就是聲音的多普勒效應(yīng)所發(fā)揮的作用 [22]。尤其是表現(xiàn)急馳而過的火車、汽車等，使人一聽了然，極具有真實(shí)感和表現(xiàn)力。例如：摩托車的聲音提前切入，而且頻率越來越高，當(dāng)達(dá)到極大值時，摩托車突然從面前閃現(xiàn)，從情理和視聽上給人以逼真的感覺，隨著音調(diào)的降低，我們自然想到摩托車的遠(yuǎn)離。正如實(shí)際現(xiàn)象中，當(dāng)物體靠近時，聲音的高低會發(fā)生變化。在影視作品中常常利用這一效應(yīng)，例如：一架戰(zhàn)斗機(jī)朝你飛來之時，你會覺得很刺耳，好像真有戰(zhàn)斗機(jī)向你駛來一樣，而當(dāng)它離去 時，你也可以根據(jù)音調(diào)的降低判斷出戰(zhàn)斗機(jī)已遠(yuǎn)。隨著科技的發(fā)展，人們已將多普勒效應(yīng)運(yùn)用到各個領(lǐng)域之中?？臻g中的透視感、環(huán)境感、方位感是否準(zhǔn)確是決定電影所展現(xiàn)的世界是否真實(shí)的關(guān)鍵。馬路上我們所謂的“電子眼”，也是通過多普勒效應(yīng)原理來進(jìn)行測速的不同的速度會對發(fā)出波和接收波的頻率有不同程度的改變，根據(jù)這個改變程度，車子行駛的速度就被測算出來了 [19]。而飛行高度和飛行速度這兩項(xiàng)重要指標(biāo)，更是發(fā)射導(dǎo)彈等防空措施中必須參考的重要指標(biāo) [17]。此時發(fā)生器為靜止波源，紅血球?yàn)檫\(yùn)動接收器。 今天，在臨床上應(yīng)用廣泛發(fā)展迅速的彩超正和 X射線 DT核磁共振等其他影像技術(shù)一起，形成了相互印證、相互補(bǔ)充的綜合性檢查體系，為及早發(fā)現(xiàn)各種疾病，保障人類身心健康發(fā)揮著越來越重要的作用。而負(fù)向血流有紊亂者則呈青色。血流速度的大小以明暗不同的顏色亮度等級來表示。在彩色血流顯像系統(tǒng)中，通常采用“正紅負(fù)藍(lán)”法表示血流的方向。血液向著超聲源運(yùn)動時，反射波的頻率增加；血液離開超聲源運(yùn)動時，反射波的頻率減少，反射波頻率增加或減少的量，與血液流動速度成正比，因此可根據(jù)超聲波的頻率變化量，測定血液1 2 1 1 運(yùn)動粒子 ? 激光器 L 光電探測器 鑒頻器 v 2 1 圖 4 激光雷達(dá)測風(fēng)速原理圖 16 的流速 [8]。 從激光器發(fā)出頻率為 0f 的光波，經(jīng)分光板分成光束 1 和光束 2，光束 2 直接送到光電探測器，光束 1 射向速度為 v 的運(yùn)動粒子 (風(fēng) )(v 遠(yuǎn)小于 c)， ? 為運(yùn)動粒子的運(yùn)動方向與被其反射后的光束 1 的傳播方向的夾角，可知運(yùn)動粒子接收到的頻率為 01 )c o s1( fcvf ???[14] () 經(jīng)粒子反射后形成頻率為 f1的回波，經(jīng)光電探測器被送到鑒頻器，其頻率為 00212 )c os21()c os1()c os1( fcvfcvfcvf ??? ?????? () 則 012 c o s2 fcvfff ????? () 所以 ff cv ?? ?cos2 0 () ? 角可根據(jù)激光雷達(dá)接受到的回波方向測定，這樣可根據(jù) f? 計(jì)算出風(fēng) 的運(yùn)動速度 [15]。 觀測站可根據(jù)所測量的接收頻率 rf 而得出多普勒頻移 f? ，再經(jīng)過技術(shù)與數(shù)學(xué)處理，求出某一瞬時衛(wèi)星 B 與觀測站 A 的距離 r 從而確定觀測站的位 置 [13]。 多普勒效應(yīng)還提供了地球到脈塞區(qū)域的距離，通常同時測定氣殼的角直徑和紅蘭移信號之間的延遲時間就可以確定到該星系的距離 [11]。由于恒星風(fēng)是徑向運(yùn)動的，因此在來自紅巨星和地球之間的那一 部分氣體云所發(fā)出的光由于多普勒效應(yīng)將產(chǎn)生頻率蘭移，意味著逐漸靠近的源；而來自紅巨星背地側(cè)的那一部分氣體云發(fā)出的光子頻率產(chǎn)生紅移，意味著逐漸退行的源，來自氣殼不同部分的發(fā)射可以用它們的多普勒頻移加以區(qū)分。 1993 年哈佛 —— 斯密森天體物理中心報(bào)道了對星系 —— M33 中的水蒸汽脈塞運(yùn)動的首批測量結(jié)果，前不久他們繪制 了一個更為遙遠(yuǎn)的旋渦星系 —— M106 中的脈塞源。當(dāng)脈沖星作朝向地 球運(yùn)行時多普勒效應(yīng)加快了脈沖速度。 他們在觀測中發(fā)現(xiàn)脈沖星信號的時間間隔以規(guī)律的方式發(fā)生變化，而只有來自雙星光的波長會發(fā)生類似的變化。 天體物理是當(dāng)今物理學(xué)研究的重要領(lǐng)域，而光是目前認(rèn)識宇宙的唯一信使，多普勒效應(yīng)在其中有著極為重要的作用。 由以上的討論可以看出，雖然聲波和光波都存在多普勒效應(yīng)，但聲波多普勒效應(yīng)與光波多普勒效應(yīng) 之間存在著本質(zhì)的區(qū)別： （ 1）聲波和光波都存在縱向多普勒效應(yīng)，聲波縱向多普勒效應(yīng)與聲源的運(yùn)動和觀測者的運(yùn)動都有關(guān)，而光波縱向多普勒效應(yīng)卻只與光源和觀測者之間的相對運(yùn)動有關(guān)。 聲波的橫向多普勒效應(yīng) 由于聲波的傳播速度遠(yuǎn)小于光速 c，因而聲波不符合相對論原理 .對聲波而言，其時空變換關(guān)系符合伽利略變換，即有 39。 光波的橫向多普勒效應(yīng) 光波的傳播速度為常數(shù) c，其與所選的參照系無關(guān)，因而光波符合相對論原理，其時空變換關(guān)系符合洛侖茲變換，即有 12 2239。039。 0ttvSSSRRSBS （ ） 上式中 0tt? 是微小量， ?? 也是微小量，故 ??? sin)( 0tt 是二級微小量，略去不計(jì)，則有 039。 也 很短，可以認(rèn)為 SB ⊥ RS39。012 )( vSRRStttt ????? （ ） 我們在 RS39。00 ttfhh ??? ? （ ） 對于觀測者，其接收到波源所發(fā)出的位相為 0h 的波的時刻為 001 vSRtt ?? （ ） 其所接收到波源所發(fā)出的位相為 h 的波的時刻為 039。S 處發(fā)射位相為 h 的波的時刻，相對于靜止參照系 R 是 t ，而相對于運(yùn)動參照系 S 是 39。 以靜止的觀測者 R 建立靜止參照系，運(yùn)動的波源 S 建立運(yùn)動參照系。????? 將上式與 ()式聯(lián)合解方程組，即可得到光波的縱向多普勒頻移公式 fuc ucf ???39。設(shè)觀測者與光源的相對運(yùn)動速度為 u ，則根據(jù)洛侖茲速度合成法則有 21 cvvvvu sr sr??? （ ） 設(shè)光源所發(fā)出的光波頻率為 39。由 ()式可知， rv處于分子而 sv 處于分母，這表明聲源的運(yùn)動或觀測者的運(yùn)動所引起的頻率的改變是不R 圖 1 波源和觀測者相對運(yùn)動 S sv 圖 波源和觀測者相對運(yùn)動rv s 圖 波源和觀測者相對運(yùn)動 10 相同的。當(dāng)觀測者相對于介質(zhì)的運(yùn)動速度 rv 或波源相對于介質(zhì)的運(yùn)動速度超過聲波的傳播速度 0v 時，觀測者或波源運(yùn)動到聲波的前面，聲波的多普勒效應(yīng)不再有任何物理意義，因此有 cvr?? ， cvs?? ，2sv / 02?c ， 2rv / 02?c 。 由圖 1 我們得到普遍適用的縱向多普勒效應(yīng)頻移公式 [8] fcvcvvvvvfrssr2222001139。同樣的道理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離波源，觀察者在單位時間內(nèi)接 收到的完整波的個數(shù)減少，即接收到的頻率減小。 值得注意的是，無論是觀察者還是波源運(yùn)動，雖然都能引起觀察者所觀測的波的頻率的改變，但 頻率改變的原因都不同：在觀察者運(yùn)動的情形中，頻率的改變是由于觀察者觀測到完整波數(shù)目的增加或減少；在波源運(yùn)動的情形中，頻率的改變是由于察者觀測到波長縮短或伸長了，即波長發(fā)生了變化。 （ ） 即觀察者接收到的頻率高于波源的頻率。 ??? （ ） 這表明，當(dāng)波源背離靜止的觀察者運(yùn)動時，觀察者接收到的頻率低于波源的頻率。上式中， v 為波源的頻率， u 是波在靜止介質(zhì)中的傳播速度。他才華橫溢、創(chuàng)意無限，經(jīng)常有各種奇思妙想，盡管并不是都可行，卻經(jīng)常能給別人以啟迪。多普勒還曾試圖用這個原理來解釋雙星的顏色變化。 1842 年，多普勒發(fā)表論文首次論述多普勒效應(yīng)。多普勒在數(shù)學(xué)方面顯示出超常的水平， 1825 年他以各科優(yōu)異的成績畢業(yè)，之后回到薩爾茨堡教授哲學(xué)，后來又去維也納大學(xué)學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、 7 力學(xué)和天 文學(xué)。多普勒（ Christian Doppler， 1803~1853）于 1842 年在他的文章“ On the Colored Light of Double Stars”中首先提出的，因波源和觀測者有相對運(yùn)動而出現(xiàn)的觀測頻率與波源頻率不相等的現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。另外，在研究天體、人造衛(wèi)星以及火箭的運(yùn)動時，多普勒效應(yīng)也是有效的方法之一；在道路交通上它被廣泛應(yīng)用于檢查高速公路上行駛車輛的速度；在醫(yī)學(xué)診斷上被用于檢測內(nèi)臟器壁或血球的運(yùn)動速度；多普勒效應(yīng)還淺析了光譜頻帶寬度和給出了“宇宙膨脹說”的依據(jù)等。他推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對運(yùn)動時，觀察者接收到的波長頻率會改變，在運(yùn)動的波源前面波被壓縮，波長變短，頻率變高；在運(yùn)動的波源后面波長變長，頻率變低。 關(guān)鍵詞： 多普勒效應(yīng)；聲波 ；光波 Abstract: Based on Doppler effect of sound waves and light waves as an example, the acoustic, optical and electromagic wave theory of Doppler effect in detail, the general formula of induction, summarizes the Doppler effect. The paper introduces the application of Doppler effect in medical, transportation, detection, satellite munication, military technology, film and television works of art, meteorological monitoring fields: such as the Doppler effect in astrophysical maser and neutron star exploration applications,