Частота доплера: В чем заключается эффект Доплера?

В чем заключается эффект Доплера?

Эффект Доплера или доплеровский сдвиг возникает при движении наблюдателя относительно источника излучения (или наоборот) и заключается в изменении длины волны или частоты сигнала. Это явление, обнаруженное австрийским физиком Кристианом Доплером в 1803 году, может проявляться по-разному. Классическим примером данного эффекта является слышимое изменение высоты звука от проезжающей мимо машины скорой помощи. Программное обеспечение COMSOL Multiphysics® позволяет эффективно моделировать эффект Доплера в акустических системах и приложениях.

Первоначальная версия статьи была написана Александрой Фоули (Alexandra Foley) и опубликована 15 июля 2013 года. По сравнению с оригиналом данная заметка была значительно переработана, в неё были добавлены новые материалы и анимации на основе обновлённой версии демонстрационной модели, созданной в нашем пакете.

Суть эффекта Доплера

Мы часто сталкиваемся с эффектом Доплера, улавливая изменение высоты тона звука вследствие движения источника звука относительно неподвижного наблюдателя или, наоборот, при движении приемника относительно неподвижного излучателя. Когда источник звука неподвижен, звук, который мы слышим (будучи также в неподвижном состоянии), имеет ту же высоту (частоту), что и звук, непосредственно излучаемый источником.

Звуковые волны, распространяющиеся от неподвижного источника звука в однородном потоке флюида. Данная постановка аналогична случаю, когда источник движется с постоянной скоростью.

При движении источника, звук, который мы слышим, изменяется. Вернёмся к примеру с машиной скорой помощи. Когда она проезжает мимо, сирена звучит иначе, чем если бы мы стояли непосредственно рядом с ней все время. Высота звука, создаваемого сиреной машины скорой помощи, изменяется, когда она приближается, проезжает прямо мимо нас и уезжает.

В процессе приближения машины каждая последующая звуковая волна излучается с более близкого расстояния, чем предыдущая. Из-за этого изменения положения для каждой последующей волны уменьшается время, за которое она доходит до нас. Следовательно, уменьшается расстояние между гребнями волны (длина волны), а значит частота волны увеличивается и звук воспринимается, как более высокий.

Это работает и в противоположном направлении. Когда источник звука удаляется, волны идут до нас всё дольше и дольше. Длина волны увеличивается, воспринимаемая частота уменьшается, высота звука понижается. Аналогичный эффект будет наблюдаться, если мы сами будет проезжать мимо припаркованной машины скорой помощи. В этом случае наблюдатель, то есть мы, движется к источнику. Каждая последующая звуковая волна всё быстрей доходит до нас по мере приближения.

Визуализация ещё одного примера эффекта Доплера

Другим наглядным примером эффекта Доплера является распространение волн на поверхности водоема. К примеру, жук лежит на поверхности лужи. Когда жук неподвижен, он все равно двигает конечностями, чтобы оставаться на плаву. Эти возмущения флюида распространяются по направлению от жука на поверхности воды в виде сферических волн.

Если жук начинает плыть, то это влияет на поток воды вокруг него. Пики волн следуют ближе друг к другу, когда жук приближается к нам и, наоборот, дальше, когда он уплывает. На анимации выше концептуально показано распространение волн на воде со скоростью, которая намного медленнее, чем скорость звука. Из-за маленькой скорости эффект Доплера в данном случае можно увидеть невооружённым глазом.

Численное моделирование эффекта Доплера

С использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics® и уникальных возможностей модуля расширения Акустика можно смоделировать эффект Доплера и рассчитать изменение частоты для источника, движущегося с заданной скоростью. Предположим, что воздух вокруг источника звука (в данном случае – это скорая помощь) движется со скоростью V = 50 м/с в отрицательном направлении по оси

z. Также будем считать, что наблюдатель стоит на расстоянии 1 метра от скорой помощи, когда она проезжает мимо. На изображении ниже показан график зависимости звукового давления от расстояния для двух противоположных случаев, когда машина приближается и отдаляется от наблюдателя.

На этом графике по оси x представлено расстояние от машины скорой помощи до наблюдателя. Сплошной линией обозначен график звукового давления, которое воспринимает наблюдатель при приближении машины, а пунктирной линией — давление при удалении машины.

Представленный график позволяет увидеть, как амплитуда волны (или давление) быстрее уменьшается при удалении машины скорой помощи от наблюдателя по сравнению с тем, когда она приближается. Изменение амплитуды волны подтверждает наш эмпирический опыт: сирена становится тише по мере удаления от нас машины скорой помощи. Скорость, с которой уровень звука уменьшается при удалении скорой помощи, намного выше, чем скорость, с которой звук становится выше при приближении машины (как показано на графике выше).

Давайте теперь взглянем на этот эффект в немного другом представлении. Мы можем визуализировать уровень звукового давления вокруг источника звука. Помните, что источник движется в положительном направлении по оси z.

Распределение уровня звукового давления вокруг источника звука градиентом цвета и контурными линиями. Отчетливо видно, что самый внешний контур проходит через внутреннюю часть области моделирования к внешнему слою с идеально согласованными слоями (PML), область которые не показан на графике. Указанный факт также подтверждает тот факт, что звук ниже источника больше, чем над ним.

Другие примеры эффекта Доплера

Эффект Доплера проявляется (и используется) в самых различных приложениях. Одним из распространённых примеров является доплеровский радар, волновой пучок которого направляется на движущийся объект. Зная время, в течении которого волновой пакет доходит до цели, отражается и возвращается обратно к передатчику, можно рассчитать скорость цели. Доплеровский радар используется полицейскими для обнаружения машин, которые движутся быстрее, чем установленное скоростное ограничение.

Эффект Доплера также используется в астрономии для определения направления и скорости, с которой звёзды, планеты и галактики движутся относительно Земли. Измеряя изменение “цвета” электромагнитных волн, астроном может определить радиальную скорость небесного тела. В данном случае обычно оперируют терминами redshift или blueshift, т.е. красное или синее смещение. Если вы заметите “красную” звезду, это значит, что она довольно далеко от Земли. Кроме того, это явный индикатор того, что Вселенная расширяется!

Эффект Доплера также используется в метеорологических прогнозах, гидролокаторах, медицинской интроскопии, измерении кровотока и спутниковой связи.

Дальнейшие шаги

Нажмите на кнопку ниже, чтобы самостоятельно попробовать смоделировать эффект Доплера. При наличии учетной записи COMSOL Access и действующей лицензии на программное обеспечение вы сможете загрузить MPH-файл учебной модели, описанной в данной заметке.

Дополнительные материалы

Эффект Доплера в в физике: определение, примеры, формула

1. Определение эффекта Доплера

Что же происходит и в чём причина этого эффекта?

Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:

• длина волны;
• период колебаний в волне;
• частота колебаний в волне;
• амплитуда;
• скорость волны.

Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой  где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.

Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него. Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него. Именно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него. И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.

2. Эксперименты

Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.

Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки. Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.

Физика. 9 класс. Дидактические материалы

Данное пособие включает тренировочные задания, тесты для самоконтроля, самостоятельные работы, контрольные работы и примеры решения типовых задач. Предлагаемые дидактические материалы составлены в полном соответствии со структурой и методологией учебника А.В. Перышкина, Е.М. Гутник «Физика. 9 класс».

Купить

Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот. Суть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда. Музыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.

Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.

3. Формула и применение

Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны. Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что  (здесь v — скорость волн в данной среде, ν₀ — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью u относительно среды, то  и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:

Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u₁, то частота регистрируемых им волн будет равна:

Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:

Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет. Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается. То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым. Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.

Что ещё почитать?

4. Релятивистский эффект Доплера

Выше уже было отмечено, что эффект Доплера применим не только к механическим, но и к электромагнитным волнам. Однако, в случае электромагнитных волн нужно учитывать, что их скорость — есть величина постоянная, не зависящая от направления и скорости движения источника или наблюдателя, и равная с. В этом случае, формулы, аналогичные тем, что приведены для звуковых волн, следует выводить на основании специальной теории относительности Эйнштейна. Это и будет формула релятивистского эффекта Доплера. Не углубляясь в процедуру её вывода, приведём сразу окончательный результат:

Здесь v — это скорость источника относительно приёмника, а угол а — при удалении источника вдоль прямой равен π, а при приближении источника по прямой равен 0.

5. Методические советы учителям

1. При описании эффекта Доплера лучшей демонстрацией будет звукозапись сирены или гудка проезжающего автомобиля. Для этого можно одному или нескольким ученикам предварительно дать задание — записать сигнал проезжающего мимо автомобиля или машины скорой помощи на смартфон. С этой звукозаписи и стоит начать урок.
2. Особое внимание стоит уделить применению эффекта Доплера, а не самим формулам, с ним связанным. Ведь этот эффект используют люди самых разных профессий — сотрудники ДПС, врачи, учёные, метеорологи.
3. Приводимые здесь формулы можно преобразовать и решить несколько вычислительных примеров практической направленности — рассчитать скорость автомобиля или определить изменение звукового тона по частоте.
4. Особое внимание следует уделить применению эффекта Доплера в астрономии и космологии, ведь именно из этого эффекта следует вывод о расширяющейся Вселенной, что в итоге привело к созданию современной космологической модели Вселенной.

Частота Доплера – Энциклопедия по машиностроению XXL

Разностная частота Рц, называемая частотой Доплера, определяется по формуле  [c.299]

Первая составляющая этой ошибки определяется техническими параметрами фазометра вторая — зависит от стабильности фазовой характеристики дальномера третья зависит от того, насколько точно учтены отражающие свойства цели. При измерении расстояния до подвижной цели вносится еще одна ошибка, источником которой является частота Доплера. Исследования показывают, что вторая и третья составляющие а выражении — величины второго порядка малости по сравнению с первой составляющей, поэтому в предварительных расчетах ими можно пренебречь. Из анализируемого выражения можно сделать еще один вывод о том, что дальномерная ошибка уменьшается с ростом масштабной частоты. В принципе желательно масштабную частоту приближать к несущей. С этой точки зрения можно отметить, что переход к более коротким длинам волн дает выигрыш в повышении точности измерений. Но это имеет и отрицательную сторону. Дело в том, что однозначность и измерение разности фаз возможно только в пределах 2л, в противном случае возникает многозначность отсчета дальности. Для того чтобы избежать многозначности отсчета, необходимо выполнять условие  [c.140]

В случае свечения газоразрядной плазмы низкого давления проявляется хаотическое тепловое движение атомов. Из-за эффекта Доплера (см. 7.3) излучение каждого из них следует характеризовать своей частотой.  [c.188]

Сравнивая последние два соотношения, получаем закон преобразования частоты для случая, когда нормаль п к фронту волны и относительная скорость v движения направлены вдоль одной прямой продольный эффект Доплера)  [c.384]

В этом приближении получается внешне одинаковая форма записи продольного эффекта Доплера в оптике и акустике. Действительно, если ui — скорость приемника, 2 — скорость источника акустических волн, распространяющихся в среде со скоростью и, то для изменения частоты можно воспользоваться  [c.387]

Таким образом, наблюдается полное совпадение результата проведенного ранее (см. 5.6) исследования интерференции двух волн одной частоты при разности хода, линейно зависящей от времени (Л == ut), и результата полученного с использованием эффекта Доплера, где вычисляется сигнал биений двух волн с частотами оц и о>2 = mi(l 2 и/с).  [c.396]

Целесообразно рассмотреть теперь нерелятивистскую теорию эффекта Доплера. Под эффектом Доплера или смещением Доплера понимается определенная связь между измеряемой частотой волнового движения и относительными скоростями источника волн, среды и приемника. Удобно начать рассмотрение  [c.323]

Рис. 10.19. Эффект Доплера источник S движется относительно среды со скоростью I/ V и испускает волны с частотой Vo. Волна / испускается, когда 5 находится в точке у = 0. Эта волна распространяется радиально во все стороны. Волна 2 испускается, когда S находится в точке у = VT. Эта волна тоже распространяется радиально во все стороны и т. д.

Следовательно, если скорость V положительна (источник движется по направлению к приемнику), то частота, воспринимаемая приемником, больше, чем излучаемая частота. Если скорость V отрицательна (источник движется в направлении от приемника), то воспринимаемая частота меньше, чем излучаемая. Этот сдвиг частот называется эффектом Доплера или смещением Доплера. Для реактивного самолета V имеет тот же порядок величины, что и скорость звука в воздухе, и эффект Доплера довольно велик. Если V/Узв 1, то, ограничиваясь слагаемыми порядка У/ьзъ, можно приближенно преобразовать (16) в следующее выражение  [c.325]
Уравнение (41) описывает релятивистский продольный эффект Доплера для световых волн в вакууме. Смещение частот.  [c.360]

Поперечный эффект Доплера относится к наблюдениям, произведенным под прямым углом к направлению перемещения источника света, которым обычно является атом. В нерелятивистском приближении вообще нет поперечного эффекта Доплера. Теория относительности предсказывает существование этого поперечного эффекта Доплера для световых волн. Отношение частот должно быть обратным отношению интервалов времени в формуле (31), т. е.  [c.361]

Этот результат был выведен Эйнштейном в статье по электродинамике без упоминания понятия фотона. Однако результат (72) прямо вытекает из следующих соображений. Как было показано в (11.41), при продольном эффекте Доплера частоты, воспринимаемые наблюдателями, покоящимися в системах S и S, связаны соотношением  [c.396]

С ПОМОЩЬЮ формулы (68,1) можно рассмотреть эффект Доплера, заключающийся в том, что частота звука, воспринимаемого наблюдателем, движущимся относительно источника, но совпадает с частотой колебаний последнего.  [c.371]

Это — звуковая волна с частотой, сдвинутой эффектом Доплера. Задание возмущения одной из величин в этой волне определяет возмущения всех остальных величин.  [c.445]

Рассматривая свет как распространяющиеся волны возмущений в эфире, Доплер отметил, что частота световых колебаний, воспринимаемых приемником, должна зависеть как от скорости источника света, так и от скорости приемника, взятых по отношению к эфиру, и что она будет отличаться от частоты световых колебаний, которые испускает источник. Предсказанный (1842) чисто теоретически эффект, названный впоследствии эффектом Доплера, относится к любым волнам независимо от их природы, в частности к акустическим волнам.  [c.216]

Эффект Доплера. Согласно полученному изменение частоты дается формулой  [c.333]

Пусть среда с неоднородным уширением, обусловленным эффектом Доплера, находится в оптическом резонаторе. Представим поле в резонаторе на частоте V в виде двух волн, бегущих вдоль его оси навстречу друг другу. Очевидно, что волны взаимодействуют с атомами, имеющими взаимно противоположные направления составляющей скорости на ось резонатора. Поэтому, хотя обе волны имеют одну и ту же частоту V, они вызовут образование двух провалов на кривой коэффициента усиления k v), расположенных симметрично относительно центральной частоты то.  [c.290]

Одним из основных методов лазерной анемометрии является доплеровский метод измерения локальных скоростей в потоках, сущность которого заключается в следующем. Движущаяся со скоростью и частица (рис. 11.11) воспринимает некоторую круговую частоту (1), которая связана с круговой частотой падающей на нее волны о уравнением, отражающим эффект Доплера  [c.228]

В реальных условиях одновременно действуют механизмы, определяющие как лоренцеву, так и гауссову формы. Поскольку эти механизмы действуют независимо, то результирующая форма линии может быть вычислена путем анализа каждой весьма малой полосы частот лоренцевой кривой, уширенной вследствие эффекта Доплера [109, 1341.  [c.11]

Если такой резонатор используется в Не—Ые-лазере, ширина спектральной линии в котором определяется в основном эффектом Доплера, то согласно (20) на переходе неона, соответствующем к = 1,152 мкм, Avp я 800 МГц, а естественная ширина линии для этого перехода согласно (17) составит Avg = 10 МГц. Следовательно, А/ аксиальным модам колебаний.  [c.14]

Используя несколько измененный лазерный интерферометр, можно производить измерения скорости перемещений объекта, используя эффект Доплера, заключающийся в изменении частоты излучения в зависимости от скорости перемещения излучателя (или отражателя). Причем сигнал, отраженный непосредственно от металлических поверхностей объектов, оказывается достаточным для работы таких интерферометров. Это открывает большие перспективы применения таких измерительных систем в промышленности, например для бесконтактного контроля скорости горячей прокатки, непрерывного контроля внешних и внутренних диаметров деталей непосредственно в процессе их обработки с точностью до 0,1—0,2 мкм и т. д.  [c.230]

Доплер (1803—1853) исследовал эффекты, связанные с движением источника излучения и наблюдателя, и сформулировал хорошо известный принцип, согласно которому при относительном движении источника и приемника частота волны, испускаемой источником, в системе отсчета, связанной с приемником, изменяется [207]. Поскольку это положение составляет основу действия лазерных доплеровских измерителей скорости, обсудим его несколько подробнее.  [c.278]

Из выражения (232) видно, что в рассеянном движущейся частицей пучке имеет место доплеров-ский сдвиг частоты, пропорцио-скорости на направление раз-Ks — К/. Отсюда гд = [1/(2я)] X  [c.280]

О. в. от движущихся объектов происходит со смещением частоты Доплера эффект), угол отражения при атом не равен углу падения (т. н. угловая аберрация). Б средах с непрерывно меняющимися свойствами О. в. наблюдается, если характерные масштабы неоднородностей Ь % В плавно-неоднородных средах Б Я истинное О. в. экспоненциально мало, однако рефракция в плавно-неоднородных средах может привести к явлениям, сходным с О. в., напр. зеркальный мираж в пустыне (см. Рефракция звука, Рефракция света). В нелинейных средах волны больпюй интенсивности сами индуцируют неоднородности, при рассеянии на которых (вынужденное рассеяние) может даже возникать, например, специфическое О. в, с обращением волнового фронта.  [c.504]

На рис. 10.1 приведена схема когерентного локатора. Генератор, работающий в непрерывном режиме, генерирует сигнал на оптической частоте Fq, который поступает в импульсный модулирующий усилитель последний, в свою очередь, генерирует импульсный оптический сигнал на несущей частоте F. Частоты колебаний, отраженных от цели, сдвигаются отпоиггельно передаваемой частоты fo на частоту Доплера F . Таким образом, несущая частота отраженного сигнала Fq + Fд.  [c.194]

Если источник прпблигкается (как в нашем случае), то v>vo, если же удаляется, то v[c.206]

Мы получим здесь общее выражение для преобразования частоты, рассмотрим принципиальное различие эффекта Доплера в оптике и акустике, выясним, как проявляется эффект при направленном и хаотическом движении излучающих частиц. В зак.лючение охарактеризуем возможность интерферометри-ческого измерения ма.юй относительно скорости движения излучателя и приемника.  [c.383]

Соотношение (7.38) устанавливает. нинейную зависимость между v /v и р = о/с. Следовательно, продольный эффект Доплера является эффектом первого порядка. Пользуясь упрощенным соотношением (7.38) и вводя обозначение Av = v — v, получаем выражение, в котором в явном виде фигурирует доплеровский сдвиг частоты Av как функция р == и/с, а именно  [c.384]

Перейдем к исследованию того, как проявляется эффект Доплера при оптических экспериментах. Прежде всего укажем, что следует различать направленное и хаотическое движение излучающих частиц, в котором они могут одновременно участвовать. К сдвигу частоты и/с приводит лишь направленное движение ансамбля атомов, и прежде всего мы проана.чизируем те эксперименты, где проявляется именно этот иид движения.  [c.388]

Можно продолжить перечисление технических трудностей, появляющихся при наблюдении сигнала биений, возникающего при освещении интерферометра уширенной спектральной линией, но они ничего не меняют в принципиальной постановке проблемы. Бесспорно, задав тем или иным способом корреляцию между двумя исследуемыми волнами, можно наблюдать их интерференцию. Если частота о>2 задается равномерным движением зеркала, от которого отражается часть исследуемого излучения, то будет происходить интерференция любой волны с частотой roi, лежащей в пределах контура спектральной линии, с другой волной частоты (02, отличающейся от частоты первой на разностную частоту 2л/. Тогда будет наблюдаться сигнал биений, который позволяет определять сколь угодно малую скорость движения зеркала, так как можно зарегистрировать очень малые изменения интерференционной картины. Та минимальная скорость v, которую еще можно измерить, определится условиями опыта. Е1о, конечно, это будут значения на много порядков меньше, чем те громадные скорости, о которых шла речь ранее. Приведенная выше оценка точности астрономических измерений лучевой скорости по эффекту Доплера (и 1 км/с) соответствует сравнению никак не скоррелированных источников света, которыми являются исследуемая звезда и какой-то земной источник света, излучающий ту же спектральную линию.  [c.397]

К такому же результату можно прийти, рассматривая рассеяние света как отражение от бегущих звуковых волн. В этом случае физической причиной расщепления является эффект Доплера. Для каждого направления в кристалле имеются две волны, бегущие во взаимно противоположных направлениях. По отношению к световой волне каждая звуковая волна может рассматриваться как зеркало, движущееся со скоростью V в направлении, определяемом углом 0. При отражении света от движущегося зеркала частота световой волны изменяется вследствие эффекта Доплера. Расчет, проведенный Брил-люэном, приводит к формуле (23.10), которая носит название формулы Мандельштама — Бриллюэна, а само явление рассеяния на гиперзвуковых волнах называется рассеянием Мандельштама — Бриллюэна.  [c.124]
Эффект Доплера существенно сказывается на структуре спектральных линий источников света. Вообще следует отметить, что во. всех газоразрядных источниках света атомы и ионы газа летят с большими скоростями во всех направлениях. В зависимости от скорости они будут давать разное доплеровское смещение частоты юлучения, в результате чего спектральные линии оказываются расщиренными. Это явление называют доплеровским уширением спектральных линий.  [c.220]

Эффект Доплера наблюдается н для электромагнитных волн. Однако электромагнитные волны распространяются не только в телах, но и в вакууме. Изменение частоты в эффекте Доплера для электромагнитных волн зависит только от скорости двингения источника или приемника относительно друг друга.  [c.238]

Разность между сорас и ыо называют сдвигом круговой частоты рассеянной волны сос, обусловленным эффектом Доплера. Значение этого сдвига легко определяется из формулы (11.12)  [c.229]

Принцип лазерной анемометрии основан на эффекте Доплера частота лазерного излучения, рассеянного на движущихся вместе с потоком мельчайщих частицах, изменяется пропорционально скорости этих частиц. На практи-.  [c.118]

Пример двухчастотной схемы с а кустооптическим модулятором, предназначенной для измерения одной компоненты скорости, показан на рис. 175 [72]. Устройство содержит последовательно расположенные лазер 1, объектив 2, акустооптическую ячейку 3, фокусирующий объектив 4, приемный объектив 5, апертурную диафрагму 6, фотоприемник (фотодиод) 7, к которому подключены последовательно фильтр 8 и смеситель 9, к другому входу которого подсоединен генератор 10, питающий акустооптическую ячейку 3. Сигнал с выхода смесителя поступает на измеритель доплеров-ской частоты И. Луч лазера 1 после прохождения объектива 2  [c.300]

---

формула, суть, теория и история открытия для чайников

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой. Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Эффект Доплера

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

• Акустический эффект Доплера;
• Оптический эффект Доплера;
• Эффект Доплера для электромагнитных волн;
• Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с  – скорость распространения волн в среде, w0 – частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце – еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

Доплеровское смещение – это… Что такое Доплеровское смещение?

Источник волн перемещается налево. Тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше).

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только^[1] относительное движение источника и приёмника.

Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

Сущность явления

Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.

где f₀ — частота, с которой источник испускает волны, c — скорость распространения волн в среде, v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

(1)

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника.

(2)

u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив значение частоты из формулы (1) в формулу (2), получим формулу для общего случая.

(3)

Релятивистский эффект Доплера

В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности.Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя.

где с — скорость света, v — относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).

Как наблюдать эффект Доплера

Не меняющий своего местоположения микрофон записывает звук, издаваемый сиренами двух движущихся влево полицейских машин. Снизу можно видеть частоту каждого из двух звуков, принимаемую микрофоном.

Поскольку явление характерно для любых колебательных процессов, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука. Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте.

Применение

Доплеровский радар

Радар, который измеряет изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящую через объект и радар). Доплеровские радары широко применяются в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков) и других объектов.

Доказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Допплера.

Астрономия

С помощью ЭД по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости – к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (300000км/с), то лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и деленной на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.

• по увеличению ширины линий спектра определяют температуру звезд

Неинвазивное измерение потока жидкости

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).

Автосигнализации

Для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля

Примечания

1. ↑ В первом приближении. На самом деле скорость света через прозрачную среду зависит от скорости движения этой среды. См. опыт Физо.

См. также

Ссылки

Wikimedia Foundation. 2010.

Эффект Доплера • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Вам, наверняка, хоть раз в жизни доводилось стоять у дороги, по которой проносится машина со спецсигналом и включенной сиреной. Пока вой сирены приближается, его тон выше, затем, когда машина поравняется с вами, он понижается, и, наконец, когда машина начинает удаляться, он понижается еще, и получается знакомое: ййййииииээээЭААААОоооуууумммм — такой примерно звукоряд. Сами того, возможно, не сознавая, вы при этом наблюдаете фундаментальнейшее (и полезнейшее) свойство волн.

Волны — вообще вещь странная. Представьте себе пустую бутылку, болтающуюся неподалеку от берега. Она гуляет вверх-вниз, к берегу не приближаясь, в то время как вода, казалось бы, волнами набегает на берег. Но нет — вода (и бутылка в ней) — остаются на месте, колеблясь лишь в плоскости, перпендикулярной поверхности водоема. Иными словами, движение среды, в которой распространяются волны, не соответствует движению самих волн. По крайней мере, футбольные болельщики хорошо это усвоили и научились использовать на практике: пуская «волну» по стадиону, они сами никуда не бегут, просто встают и садятся в свой черед, а «волна» (в Великобритании это явление принято называть «мексиканской волной») бежит вокруг трибун.

Волны принято описывать их частотой (число волновых пиков в секунду в точке наблюдения) или длиной (расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами). Эти две характеристики связаны между собой через скорость распространения волны в среде, поэтому, зная скорость распространения волны и одну из главных волновых характеристик, можно легко рассчитать другую.

Как только волна пошла, скорость ее распространения определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, — источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Давайте еще раз задумаемся над примером с воющей сиреной. Предположим для начала, что спецмашина стоит. Звук от сирены доходит до нас потому, что упругая мембрана внутри нее периодически воздействует на воздух, создавая в нем сжатия — области повышенного давления, — чередующиеся с разрежениями. Пики сжатия — «гребни» акустической волны — распространяются в среде (воздухе), пока не достигнут наших ушей и не воздействуют на барабанные перепонки, от которых поступит сигнал в наш головной мозг (именно так устроен слух). Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука: например, частота колебаний 440 герц в секунду соответствует ноте «ля» первой октавы. Так вот, пока спецмашина стоит, мы так и будем слышать неизмененный тон ее сигнала.

Но как только спецмашина тронется с места в вашу сторону, добавится новый эффект. За время с момента испускания одного пика волны до следующего машина проедет некоторое расстояние по направлению к вам. Из-за этого источник каждого следующего пика волны будет ближе. В результате волны будут достигать ваших ушей чаще, чем это было, пока машина стояла неподвижно, и высота звука, который вы воспринимаете, увеличится. И, наоборот, если спецмашина тронется в обратном направлении, пики акустических волн будут достигать ваших ушей реже, и воспринимаемая частота звука понизится. Вот и объяснение тому, почему при проезде машины со спецсигналами мимо вас тон сирены понижается.

Мы рассмотрели эффект Доплера применительно к звуковым волнам, но он в равной мере относится и к любым другим. Если источник видимого света приближается к нам, длина видимой нами волны укорачивается, и мы наблюдаем так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

Этот эффект назван в честь Кристиана Иоганна Доплера, впервые предсказавшего его теоретически. Эффект Доплера меня на всю жизнь заинтересовал благодаря тому, как именно он был впервые проверен экспериментально. Голландский ученый Кристиан Баллот (Christian Buys Ballot, 1817–1870) посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. (Идеальным слухом называется умение, выслушав ноту, точно назвать её.). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас (см. Закон Хаббла). По сути, это был столь же однозначный вывод, как если бы вы, закрыв глаза, вдруг услышали, что тон звука двигателя машины знакомой вам модели оказался ниже, чем нужно, и сделали вывод, что машина от вас удаляется. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва — а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.

Система ультразвуковая многофункциональная диагностическая СОНИК-МЕД 70

Высокая частота кадров, широкополосные многочастотные датчики имеющие до 512 приемо-передающих элементов, матричные датчики по технологии монокристалл и частотный диапазон от 0.5 до 18 Мгц позволяют получить изображение высокой степени детализации при исследовании.

Особенности

Высокая чувствительность цветового допплера, PW-допплера с режимом HPRF, управляемого CW- допплера позволяет выявлять и оценивать кровотоки по скорости и направлению движения, получать характеристики потоков в цифровом выражении в каждой конкретно выбранной точке сосудистого потока.
Встроенная система архивации позволяет сохранять и передавать полученные изображения и кинопетли в стандартных PC-форматах (BMP…,AVI) или DICOM на встроенный жёсткий и DVD-RW диски, передавать в локальную сеть ч/з USB2.0 и LAN порты, поддержка технологий WiFi и Bluetooth, распечатывать изображения на термовидео, лазерные или струйные принтеры. Архивация возможна как в режиме реального времени, так и в заморозке.

Соник-Мед 70 базируется на следующих модулях и технологиях:

• эхокардиографический модуль (управление датчиками с фазированной решеткой и допплеровскими
• датчиками, снятие и отображение ЭКГ, доступность эхокардиографического приложения)
• допплерографический модуль и модуль CFM (цветового допплеровского картирования)
• встроенный модуль цифрового архива (HDD, DVD+CD/RW, USB2.0, NetWork…)
• программа для работы с контрастами второго поколения
• программа Стресс-эхо для проведения нагрузочных и фармакологических проб
• программа для режима инверсной мультичастотной гармоники для всех типов датчиков
• режим тканевого (спктрального и цветного) Доплера
• мультисрезовый «анатомический» М-режим
• программа для векторного анализа движения миокарда
• программа для интерактивной обработки изображения по анализу скорости прохождения УЗ волны
• технология перекрёстных лучей
• технология подавления спекл-шумов(томографическое качество)
• технология использования нескольких частот в излучаемом сигнале
• технология автоматической настройки изображения
• программа 3D/4D — трёхмерная реконструкция в реальном режиме времени
• панорамное сканирование трапецеидальное изображение
• автоматический анализ толщины интима-медиа
• автоматический анализ движения стенок сосудов
• модуль для малоинвазивной терапии и диагностики (FUSION)
• эластография
• режимы сканирования: 2D (В-режим), M-режим, TEI для всех типов датчиков, CFM (ЦДК), энергетический, направленный энергетический, импульсноволновой допплер с высокой, частотой повторения импульсов (Doppler PW/HPRF), непрерывноволновой управляемый допплер (Doppler CW).
• Форматы: полный экран, полиэкран, мультиплексные перенастраиваемые форматПодсистема сбора и первичной обработки сигналов

Технические характеристики

— Электронные (фазированные) решетки до 512 элементов
— допплеровские датчики 1
— Динамический диапазон до 320 Дб
Передача
— Изменяемое положение фокуса до 16 точек
— Одновременная фокусировка до 8 точек
— АЦП, бит 16
— Цифровая задержка по всем каналам
Прием
— Фокусировка переменная апертура, динамическая фокусировка до 7000 точек
— Частотный диапазон 0,5 — 18,0 МГц
— 2D и M-режим/Допплер полностью цифровой формирователь луча
— Масштабирование (ZOOM) х 32 в т. ч. и в режиме реального времени
Фильтры
— 2D и M-режим динамические фильтры 128 типов
— CFM 8 уровней/PRF (частота повторения импульсов)
— Допплер 10-1800Гц
Визуализация (2D)
— Частота кадров > 700
— Сектор сканирования датчиков до 220 (зависит от геометрии датчиков)
— Глубина сканирования 1–38 см
М-режим
— Время развертки 1–12 секунд
CFM (ЦДК)
— Режимы Картирование скорости/скорости — дисперсии, энергии
— Карты (цветовые) > 16
— Частоты 1–14,5 МГц
— Частота проверяемого импульса 0,1–20 кГц
— Размер (2D-CFM) 15–100% полного размера 2D
— Steering ±30° (пошаговый)
Допплер
— Частота 1.0–14.5 МГц
— Аудиосигнал Стерео
— Время развертки 2–12 секунд
— Анализатор спектра
— Тип БПФ (быстрое преобразование Фурье)
— Время анализа
Импульсноволновой допплер
— Контрольный объем 0,5–24 мм
— Коррекция угла ± 90° 
— Частота повторения импульсов 0,1–45 кГц
Непрерывноволновой допплер
— Максимальная скорость ± 16,42 м/с (рабочая частота 2 МГц)
Сканконвертер
— Тип Цифровой 16 бит
— Градации яркости 256
— Шкалы изображения ч/б, 16 цветокодированных шкал
ЭКГ
— Класс безопасности Тип CF
— Входное сопротивление > 10 Мом (сс)
CMMR > 80 дБ (50 Гц)
— Макс. поляризация пост. Тока 300 мВ
— Ток утечки
— Диапазон детектирования ЧСС 40–240 уд/мин

Подключаемые датчики: c фазированной электронной решеткой, c электронной решеткой, Конвексные/Микроконвексные, Линейные, Специальные Датчики: Чрезпищеводный электронный фазированный, биплановый (СА/LA) трансректальный, конвексный для 4D реконструкции, линейный для 4D реконструкции, внутриполостной для 4D реконструкции, интраоперационный, лапароскопический, PW/CW Доплеровский датчик.

← Вернуться к списку

Доплеровский сдвиг частоты – обзор

19.1 Эффект Доплера

Поскольку определение доплеровских сдвигов частоты очень важно, стоит рассмотреть причину доплеровских сдвигов частоты. Типичный пример, который мы все испытали, – это стоять рядом с железнодорожным полотном или шоссе. Когда приближается поезд или грузовик, мы слышим звук определенной частоты. Когда проезжает высокоскоростной поезд или грузовик, звук сразу же опускается на несколько октав. Это вызвано сдвигом частоты, вызванным эффектом Доплера.Хотя мы не можем ощутить это, на световые волны действуют так же, как на звуковые волны. Фактически, осознание того, что наша Вселенная расширяется, было обусловлено проведением очень точных доплеровских измерений света звезд в ночном небе.

Соотношение между длиной волны и частотой выглядит следующим образом:

λ = v / f

, где f = частота волны (Гц или циклов в секунду), λ = длина волны (метры), v = скорость света (приблизительно 3 × 10 ⁸ м / с).

Скорость света постоянна – это доказал Эйнштейн.Технически это верно только в вакууме, но влияние среды, такой как наша атмосфера, можно игнорировать при обсуждении радаров. В радиолокационной системе происходит изменение частоты в процессе отражения от движущегося объекта. Рассмотрим передачу синусоидальной волны. Расстояние от гребня каждой волны до следующей – это длина волны, которая обратно пропорциональна частоте. Каждая последующая волна отражается от интересующего целевого объекта. Когда этот объект движется к радиолокационной системе, следующий отраженный гребень волны имеет более короткое расстояние туда и обратно, чтобы пройти от радара к цели и обратно к радару.Это связано с тем, что цель приблизилась за промежуток времени между предыдущим и текущим гребнем волны. Пока это движение продолжается, расстояние между гребнями приходящих волн меньше, чем расстояние между гребнями прошедших волн. Поскольку частота обратно пропорциональна длине волны, кажется, что частота синусоидальной волны увеличилась. Если целевой объект удаляется от радиолокационной системы, то происходит обратное. Каждый последующий гребень волны проходит большее расстояние туда и обратно, поэтому время между прибытием гребней принимаемой волны увеличивается, что приводит к более длинной (большей) длине волны и более низкой частоте.Этот эффект становится более выраженным, когда частота передаваемой синусоиды высока (короткая длина волны). Тогда эффект укорочения или удлинения принимаемой длины волны из-за эффекта Доплера более заметен. Следовательно, доплеровские сдвиги частоты легче обнаружить при использовании более высокочастотных волн, поскольку процентное изменение частоты будет больше.

Этот эффект применяется только к движению относительно радара и целевого объекта. Если объект движется под прямым углом к ​​радару, доплеровского сдвига частоты не будет.Примером этого может быть бортовой радар, направленный на землю непосредственно под самолетом. Предполагая, что на ровной местности и самолет находится на постоянной высоте, доплеровский сдвиг будет равен нулю, даже если самолет движется относительно земли. Расстояние между самолетом и землей не меняется.

Если радар наземный, то все сдвиги доплеровской частоты будут происходить из-за движения целевого объекта. Если радар базируется на транспортных средствах или в воздухе, то сдвиги доплеровской частоты будут происходить из-за относительного движения между радаром и целевым объектом.Например, если вы едете по шоссе со скоростью 70 миль в час, а приближающаяся полицейская машина движется со скоростью 50 миль в час, радар покажет доплеровский сдвиг, соответствующий 120 миль в час. Полицейский радар должен будет вычесть скорость полицейской машины, чтобы отобразить вашу скорость.

Это может быть большим преимуществом в радиолокационной системе. Путем объединения принимаемых эхо-сигналов как по диапазону, так и по доплеровскому смещению частоты можно определить скорость цели, а также дальность. Кроме того, это позволяет легко различать движущиеся объекты, такие как самолет, и фоновые помехи, которые обычно неподвижны.

Например, представьте, что у нас есть радар, работающий в диапазоне X на частоте 10 ГГц (λ = 0,03 м или 3 см). Радар, который находится в воздухе, движется со скоростью 500 миль в час, отслеживает цель, движущуюся впереди со скоростью 800 миль в час в том же направлении. В этом случае разница скоростей составляет -300 миль / ч или -134 м / с.

Другая цель летит прямо к бортовому радару со скоростью 400 миль в час. Это дает разность скоростей 900 миль в час или 402 м / с Доплеровский сдвиг частоты можно рассчитать следующим образом:

fDoppler = 2vrelative / λ

FirsttargetDopplershift = 2 (-134 м / с) / (0.03 м) = – 8,93 кГц

Вторая цель Доплеровское смещение = 2 (402 м / с) / (0,03 м) = 26,8 кГц

Приемный сигнал будет смещен от 10 ГГц на доплеровскую частоту. Обратите внимание, что доплеровский сдвиг отрицательный, когда объект удаляется (диапазон открытия) от радара, и положительный, когда объект движется к радару (диапазон закрытия).

Доплеровская частота – обзор

5.2.4.1.1 Метод последовательного поиска

При последовательном поиске различные значения кодовой фазы и доплеровских частот в пределах допустимого диапазона этих параметров ищутся по значениям неопределенности последовательным образом .Различные дискретные значения доплеровских частот генерируются приемником по порядку и смешиваются с входящим сигналом. Для каждого такого генерируемого значения частоты приемник проверяет весь диапазон фаз кода. Для любого выбранного кода каждая отдельная фаза кода генерируется и последовательно умножается на входящий сигнал. Затем продукт интегрируется за конечное время для получения автокорреляции. Если интеграл превышает определенный порог, он указывает совпадение, а затем выбранная частота и код с соответствующей используемой фазой кода обозначаются как полученное значение.Если интеграл не превышает пороговое значение, пробуются новые комбинации. Таким образом, приемник проверяет синхронизацию со всеми возможными фазами кода в одном коде, а также по всем возможным кодам в последовательности в системе CDMA для определенного Доплера.

Обычно поиск кода выполняется через каждую половину шага чипа. Для каждой конкретной комбинации частоты и фазы кода значение автокорреляции оценивается путем интегрирования по целому кратному длины кода. Каждая поисковая фаза кода и доплеровский сдвиг называется «ячейкой», тогда как каждая их комбинация называется «ячейкой».Время, затрачиваемое на корреляцию сигнала в каждой ячейке, называется «временем пребывания» (Groves, 2013). Интегрирование, выполненное на выборках сигнала, и передача его для проверки на пересечение порога, по сути, делает его схемой интегрирования и сброса.

Это самый простой из известных алгоритмов. Однако в этом алгоритме, поскольку каждая возможная комбинация доплеровской частоты и фазы кода проверяется последовательно до тех пор, пока не будет превышен порог, требуется большое время синхронизации. Однако для FDMA, поскольку используется только один код ранжирования, он должен идентифицировать только фазу кода, что значительно ускоряет процесс.Тем не менее, этот метод лучше работает в шумных условиях.

Чтобы увидеть, как изменяется сигнал в разных частях процесса в количественном выражении, отсчеты в любой момент t будут представлены как

(5.24a) S (t) = Akc (t) cos {2π (fIF + fd ) t + φ}

где A _k – уровень данных k ^th , c (t) – код, f _d – отклонение частоты из-за доплеровской и других причин и φ – фаза сигнала. Значение захвата для Доплера составляет f _d ′ с фазой φ ′, и выбранная фаза кода соответствует задержке τ по отношению к задержке в дискретизированном сигнале.Таким образом, частота f _IF + f ‘загружается в генератор для стирания несущей. Таким образом, выходной сигнал секции очистки от несущей составляет

(5,24b) s (t) = (Ak / 2) c (t) cos {2π (Δf) t + Δφ}.

Δf = (f _d – f _d ′) – это остаточный доплеровский сдвиг, т.е. разница между истинным смещением и выбранным смещением несущей частоты от ПЧ, а Δφ = (φ – φ ′) – это фазовый сдвиг. Точно так же, поскольку τ является выбранной кодовой задержкой, генерируемое значение кода равно c (t + τ).Сигнал после кодового умножения становится

(5.24c) Sacq = (Ak / 2) c (t) c (t + τ) cos (2πΔft + Δφ)

Эти выборки накапливаются за интервал времени, который является интегралом. кратно длине кода, обычно около половины длительности бита данных. Следовательно, эти образцы продукта суммируются за время T, в котором образцы достаточно близки, чтобы рассматривать их как интегрирование, что дает (Van Dierdonck, 1996)

(5.24d) Sint (t) = AkRxx (τ) sinc (πΔfT) cos (Δφ)

Значение выражения S _int увеличивается по мере того, как Δf, Δφ и τ стремятся к нулю.Это значение должно превышать заранее установленный порог, прежде чем сигнал будет считаться полученным. Это выражение по сути является синусоидальной кардинальной функцией (sinc) для сдвига частоты; очевидно, что второстепенные пики появляются и для определенных частот смещения. Точно так же для CDMA, даже для разных кодов, могут появиться второстепенные пики из-за ограничений функции взаимной корреляции кода.

Однако, поскольку функциональная природа корреляции известна, известно и распределение ее пиков.Следовательно, порог может быть установлен соответствующим образом, чтобы второстепенные пики оставались ниже него и не обнаруживались даже при наличии ожидаемого шума. Кроме того, когда получен правильный пик, ошибка для равного смещения с обеих сторон теоретически будет одинаковой. Эта функция не будет присутствовать для боковых лепестков, поэтому ее можно использовать для проверки правильности захвата.

Соответствующая неопределенность частоты, которая может возникнуть из-за доплеровского сдвига или по другим причинам, используется для установки полосы пропускания фильтра предварительной корреляции.Если приемник не имеет априорной информации, начальная неопределенность больше, что требует значительного времени для получения сигнала, поскольку требуется поиск большего количества элементов разрешения по частоте. Поиск кодов начинается с ранней стороны, чтобы избежать ложной блокировки с компонентом многолучевого распространения, который всегда следует за прямым сигналом.

Шум, присутствующий в сигнале, ухудшает результаты автокорреляции. Однако влияние шума можно уменьшить, взяв интеграл за более длительный интервал времени, т.е.е. над большим целым кратным длины кода. Но это ограничено длиной бита данных. Любая инверсия битов данных во время корреляционного интегрирования приводит к отклонению результата. Это причина того, почему в некоторых случаях, когда ожидается низкий SNR, пилотный канал, содержащий только произведение кода и несущей, но не бит данных, отправляется синхронно, но отдельно от канала данных. Отсутствие какого-либо бита данных снимает ограничение времени интегрирования при получении сигнала. Таким образом, сигнал может быть получен даже из слабых условий и плохого отношения сигнал / шум в течение более длительного периода интегрирования.Как только пилотный канал получен, синхронность позволяет приемнику переключаться на канал данных без дальнейшего сбора данных.

Если процесс фактически выполняет повторное получение сигнала, который он получил ранее, но после этого потерял блокировку, он может извлечь информацию, касающуюся времени, несущей и кодовых смещений от того, что было получено и сохранено в последнем рабочем сеансе. Это известно как «теплый старт», и он помогает в процессе сбора данных за счет значительного сокращения времени сбора данных.Однако перед использованием необходимо проверить достоверность последней сохраненной информации в течение всего сеанса. Некоторые сведения можно также получить из альтернативных источников динамики пользователей или из спутникового альманаха. Эффективность поиска также может быть повышена за счет исключительного поиска отдельных каналов, так что никакие два канала не будут искать одни и те же спутниковые сигналы в течение всего процесса обнаружения.

Когда установлено полное совпадение между участвующими компонентами сигнала, автокорреляция естественно высока.Для системы CDMA присутствие разных кодов в составном сигнале приводит к образованию взаимного корреляционного шума во время процесса. Это восстанавливает требование правильного выбора кодов с подходящими корреляционными свойствами, так что взаимные корреляционные шумы не накапливаются в сумме до такой значительной величины, которая выглядит как пик автокорреляции, приводящий к ложному условию блокировки. Шум будет эффективно определять производительность процесса сбора данных, что приводит к конечным вероятностям пропущенного обнаружения сигнала, а также ложной блокировки.

Учебник по физике: эффект Доплера

Предположим, что в центре круглой лужи с водой находится счастливый жук. Жук периодически трясет ногами, чтобы создавать помехи, перемещающиеся по воде. Если эти возмущения возникают в какой-то точке, они будут распространяться от этой точки во всех направлениях. Поскольку каждое возмущение распространяется в одной и той же среде, все они будут двигаться во всех направлениях с одинаковой скоростью. Образец, полученный при встряхивании жука , будет представлять собой серию концентрических кругов, как показано на диаграмме справа.Эти круги будут достигать краев лужи с одинаковой частотой. Наблюдатель в точке A (левый край лужи) будет наблюдать возмущения, которые ударяются о край лужи с той же частотой, что наблюдатель в точке B (на правом крае лужи). Фактически, частота, с которой помехи достигают края лужи, будет такой же, как частота, с которой жучок создает помехи. Если жук производит помехи с частотой 2 в секунду, то каждый наблюдатель будет наблюдать их приближение с частотой 2 в секунду.

Теперь предположим, что наш жук движется вправо через лужу с водой и производит помехи с той же частотой, 2 нарушения в секунду. Поскольку жук движется вправо, каждое последующее возмущение происходит из позиции, которая находится ближе к наблюдателю B и дальше от наблюдателя A. Следовательно, каждое последующее возмущение должно пройти меньшее расстояние до наблюдателя B и, таким образом, требуется меньше времени, чтобы достичь. наблюдатель B. Таким образом, наблюдатель B отмечает, что частота появления возмущений выше, чем частота возникновения возмущений.С другой стороны, каждое последующее возмущение должно пройти большее расстояние, прежде чем оно достигнет наблюдателя A. По этой причине наблюдатель A наблюдает частоту прихода, которая меньше, чем частота, с которой возникают возмущения. Чистый эффект движения жука (источника волн) состоит в том, что наблюдатель, к которому движется жук, наблюдает частоту, превышающую 2 возмущения в секунду; и наблюдатель, от которого движется жук, наблюдает частоту менее 2 помех в секунду.Этот эффект известен как эффект Доплера .

Что такое эффект Доплера?

Эффект Доплера наблюдается всякий раз, когда источник волн движется относительно наблюдателя. Эффект Доплера можно описать как эффект, производимый движущимся источником волн, в котором наблюдается явный сдвиг частоты вверх для наблюдателей, к которым приближается источник, и очевидный сдвиг частоты вниз для наблюдателей, от которых исходит источник. отступление.Важно отметить, что эффект не возникает из-за фактического изменения частоты источника на . В приведенном выше примере ошибка по-прежнему вызывает помехи со скоростью 2 нарушения в секунду; Наблюдателю, к которому приближается жучок, просто кажется, что помехи производятся с частотой более 2 нарушений в секунду. Эффект наблюдается только потому, что расстояние между наблюдателем B и жуком уменьшается, а расстояние между наблюдателем A и жуком увеличивается.

Эффект Доплера может наблюдаться для любого типа волны – водной волны, звуковой волны, световой волны и т. Д. Мы наиболее знакомы с эффектом Доплера из-за нашего опыта работы со звуковыми волнами. Возможно, вы помните случай, когда к вам по шоссе ехала полицейская машина или машина скорой помощи. Когда машина приближалась с включенной сиреной, высота звука сирены (мера частоты сирены) была высокой; а затем внезапно после того, как машина проехала мимо, звук сирены стал низким.Это был эффект Доплера – очевидный сдвиг частоты звуковой волны, создаваемой движущимся источником.

Эффект Доплера в астрономии

Эффект Доплера представляет большой интерес для астрономов, которые используют информацию о сдвиге частоты электромагнитных волн, производимых движущимися звездами в нашей галактике и за ее пределами, для получения информации об этих звездах и галактиках.Вера в то, что Вселенная расширяется, частично основана на наблюдениях электромагнитных волн, излучаемых звездами в далеких галактиках. Более того, конкретная информация о звездах внутри галактик может быть получена с помощью эффекта Доплера. Галактики – это скопления звезд, которые обычно вращаются вокруг некоторой точки центра масс. Электромагнитное излучение, испускаемое такими звездами в далекой галактике, могло бы быть смещено вниз по частоте (красное смещение ), если звезда вращается в своем скоплении в направлении, удаленном от Земли.С другой стороны, наблюдается сдвиг вверх частоты (синее смещение , ) наблюдаемого излучения, если звезда вращается в направлении к Земле.

Формулы для доплеровского сдвига частоты

Доплеровский сдвиг – это кажущееся изменение частоты (и, соответственно, длины волны) из-за относительного движения двух объектов.Согласно нижнему правому рисунку, волновой фронт движущегося объекта сжимается. и укорачивает длину волны в этой области (увеличивает частоту) и удлиняет длина волны (уменьшает частоту) в области за ней. Как показано в правом верхнем углу рисунок, один или оба объекта могут двигаться относительно земли.

Радиолокационные системы используют доплеровский сдвиг для определения относительной скорости. Когда два объекта приближаются друг к другу (замыкаются), доплеровский сдвиг вызывает сокращение длины волны (увеличение частоты).Когда два объекта удаляются друг от друга (открытие), доплеровский сдвиг вызывает удлинение длины волны (уменьшение частоты).

Для доплеровской радиолокационной системы для измерения скорости, точное измерение исходной частоты передачи и требуется частота отраженного возврата. Разница в двух частотах называется доплеровской частотой. сдвиг и является прямым показателем скорости объекта, как указано в уравнениях ниже.Измеренная скорость относительно прямой от радара до цели ( R _Horizontal ) – не ее скорость относительно земли ( R _Slant ). Для расчета путевой скорости используется относительная высота цели. к антенне радара должно быть известно, и это может быть выведено из угла места антенны (известного как опорная точка прицеливания). угол, θ).

Обратите внимание, что показанный угол (θ) предназначен только для перепада высот.Если есть еще и азимутальный угол, он должно быть учтено в уравнении как cos (α), где α – азимутальный угол относительно радара. осевое направление антенны.

R _{По горизонтали =} R _Наклон * cos θ.

В следующих уравнениях расстояние может быть выражено в любых удобных единицах, если они согласованы. как для V, так и для c, то есть км / час, миль / час, см / неделя, фарлонги / две недели и т. д.Используйте положительную скорость (+), когда цель удаляется от радара и отрицательный (-) при движении навстречу. ‘c’ – скорость света. f _{Передано} должен иметь единицы Гц, поскольку доплеровский сдвиг обычно не превышает нескольких кГц.

Примечание: При использовании этих формул убедитесь, что единицы измерения согласованы; т.е. не смешивайте кГц с МГц, мм с дюймами и т. д. Безопаснее использовать базовые единицы (например,, Гц, м) для расчета, а затем преобразовать результат в желаемые единицы.

Вот информация о времени распространения, уравнение радара и потери на трассе.

Уравнение доплеровского сдвига частоты радара

Это уравнение обычно применяется к любому значению V _MovingTarget ; однако для V _MovingTarget << c , V _MovingTarget – c → c и уравнение упрощается до показанные ниже.

Примечание: Коэффициент 2 в уравнении обусловлен доплеровским сдвигом, происходящим как для падающая и отраженная волна. Когда
вычисляет Доплеровский сдвиг от источника излучения, такого как свет от звезды или спутника, замените 2 на 1.

Пример 1: Самолет, движущийся со скоростью 1 Мах вдоль линии визирования антенны радара 10 ГГц, создает доплеровский сдвиг 22,87 кГц.

Пример 2: SCR-270 радар, использовавшийся в Перл-Харборе во время японской атаки 7 декабря 1941 года, работал по адресу
106 МГц и атака A6M Zero Самолет имел скорость пикирования около 400 миль / час.Это соответствует
Доплеровский сдвиг всего 633 Гц.

Стационарный радар с подвижной целью

, где V _MovingTarget относится к стационарному радару.

Подвижный радар с подвижной целью

, где V _MovingRadar и V _MovingTarget относятся к фиксированной точке на земле.

Вы также можете проверить Доплеровский сдвиг секции радиоэлектронной борьбы и Справочник по проектированию радиолокационных систем.

Уравнение эффекта Доплера и расчет изменения частоты

Эта статья написана моим Майком Бэнноном из Thermaxx Jackets

На мгновение закройте глаза и представьте, что вы стоите на тротуаре и к вам быстро приближается скорая помощь . Вы слышите, как приближается скорая помощь, и после того, как она проезжает, кажется, что меняется тон или частота сирены.

В 1842 году Кристиан Доплер предположил, что звуковые частоты меняются относительно наблюдателя, когда они излучаются движущимся источником звука.В 1845 году Буйс Байлот подтвердил гипотезу Доплера. Когда скорая помощь приближается, волны кажутся короче, а частота кажется выше, чем когда она удаляется от вас. Когда он удаляется, волны кажутся длиннее, а частота – ниже. Эффект Доплера показан на рисунке выше.

Расчет изменения частоты

Формула для определения частоты во время этого события выглядит следующим образом:

ƒ = наблюдаемая частота

c = скорость звука

Vs = скорость источника (отрицательная, если он движется к наблюдателю)

ƒ0 = частота излучения источника

Предположим, вы стоите на углу 5 ^th Avenue и 34 ^th Street в ожидании смены света, чтобы вы могли перейти улицу.Приближается скорая помощь, движущаяся на юг, и движется со скоростью 35 миль в час. Если мы знаем, что частота сирены скорой помощи составляет 700 Гц, мы можем вычислить частоту того, что вы слышите:

c , скорость звука 340,29 м / с

Vs , скорость звука источник, составляет 35 миль / ч, или 15,6464 м / с

ƒ0, частота сирены скорой помощи, составляет 700 Гц

Следовательно,

становится
(примечание: VS отрицательный, поскольку источник движется к наблюдателю)

, что сокращается до:

ƒ ≈ 734 Гц

Как только скорая помощь проезжает, частота звука уменьшается или звучит «тише» ».Тот же расчет выполняется для определения наблюдаемой частоты, за исключением того, что в этом случае Vs положительно:

ƒ ≈ 669 Гц

Аналогичное изменение частоты звука наблюдается, если наблюдатель движется в сторону неподвижного звука. источник. В этом случае формула:

Где Vr – скорость приемника или наблюдателя. (примечание: это отрицательно, если наблюдатель удаляется от источника).

Так, например, если вы ведете лодку со скоростью 50 узлов в сторону буя с противотуманным рогом, излучающим сигнал 400 Гц, частота звука, который вы слышите, будет:

Где VR равно 50. узлов, или 25.722 м / с

ƒ ≈ 430 Гц

Мы также можем вычислить наблюдаемую частоту, если и источник звука, и наблюдатель движутся навстречу друг другу. В данном случае формула:

А теперь представьте, что вы и ваши друзья сидите на вершине туристического автобуса, идущего в южном направлении по 7 ^th Avenue со скоростью 30 миль в час. Та же скорая помощь направляется к вашему автобусу со скоростью 28 миль в час. Теперь мы можем вычислить частоту того, что вы слышите:

VR , скорость источника равна 30 миль / ч или 13.4112 м / с
Vs , скорость источника, составляет 28 миль / ч, или 12,51712 м / с

ƒ ≈ 755 Гц

Заключение

Звуковые волны сжимаются или удлиняются при движении источник звука. При движении вперед волны впереди кажутся сжимающимися, а волны сзади – удлиненными. Звук приближающейся сирены скорой помощи будет более высоким, чем когда она удаляется от вас. Это оказывается очень практическим побочным продуктом физики звука.Нам нужно различать приближающуюся машину скорой помощи и убегающую, чтобы мы могли принять необходимые меры предосторожности, например, отвести наши машины на обочину дороги.

Узнайте о звукоизоляции Thermaxx или свяжитесь с нами.

Объяснение: эффект Доплера | MIT News

Многие студенты узнают об эффекте Доплера на уроках физики, как правило, в рамках обсуждения того, почему громкость сирены выше по мере приближения машины скорой помощи и затем ниже по мере прохождения машины скорой помощи.Эффект полезен в различных научных дисциплинах, включая планетологию: астрономы полагаются на эффект Доплера для обнаружения планет за пределами нашей солнечной системы или экзопланет. На сегодняшний день 442 из 473 известных экзопланет были обнаружены с помощью эффекта Доплера, который также помогает ученым-планетологам собирать подробности о недавно обнаруженных планетах.

Эффект Доплера или доплеровский сдвиг описывает изменения частоты любого вида звуковой или световой волны, создаваемой движущимся источником по отношению к наблюдателю.Волны, испускаемые объектом, движущимся к наблюдателю, сжимаются, что приводит к увеличению частоты, когда источник приближается к наблюдателю. Напротив, волны, испускаемые источником, удаляющимся от наблюдателя, растягиваются.

В астрономии таким источником может быть звезда, излучающая электромагнитные волны; с нашей точки зрения доплеровские сдвиги происходят, когда звезда вращается вокруг своего собственного центра масс и движется к Земле или от нее. Эти сдвиги длины волны можно увидеть в виде тонких изменений в ее спектре, в радуге цветов, излучаемых светом.Когда звезда движется к нам, ее длина волны сжимается, а ее спектр становится немного голубее. Когда звезда удаляется от нас, ее спектр выглядит немного краснее.

Чтобы наблюдать так называемые красные и синие смещения во времени, ученые-планетологи используют призматический инструмент высокого разрешения, известный как спектрограф, который разделяет входящие световые волны на разные цвета. Во внешнем слое каждой звезды есть атомы, которые поглощают свет с определенными длинами волн, и это поглощение проявляется в виде темных линий разного цвета в спектре звезды, которые регистрируются по свету, исходящему от звезды.Исследователи используют сдвиги в этих линиях как удобные маркеры, с помощью которых можно измерить величину доплеровского сдвига.

Если звезда существует сама по себе, т. Е. Если в ее звездной системе нет экзопланеты или звезды-компаньона, то картина ее доплеровских смещений не изменится с течением времени. Но если в системе есть планета или звезда-компаньон, гравитационное притяжение этого невидимого тела или звезды будет возмущать движение звезды-хозяина на определенных участках ее орбиты, вызывая заметное изменение общей картины и размеров доплеровских сдвигов с течением времени. .Другими словами, характер доплеровских сдвигов звезды может меняться со временем в результате гравитации, влияющей на движение звезды. «Если этот сдвиг велик, то он должен быть вызван притягиванием его другой звездой, но если этот сдвиг небольшой, то он, вероятно, вызван телом с малой массой, например экзопланетой», – объясняет Джошуа Винн, доцент Массачусетского технологического института. Кафедра физики. В рамках своей работы в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли Массачусетского технологического института Винн изучает взаимосвязь между орбитой экзопланеты и вращением ее родительской звезды, чтобы понять, как эта планета могла образоваться.

То, как доплеровский сдвиг планеты изменяется с течением времени, также может пролить свет на орбитальный период планеты (продолжительность ее «года»), форму ее орбиты и ее минимально возможную массу. Недавно постдок Кавли Саймон Альбрехт использовал эффект Доплера, чтобы обнаружить изменение цвета света, поглощаемого экзопланетой, что указывало на сильный ветер в атмосфере планеты.

Доплеровский сдвиг используется не только в астрономии, но и во многих областях. Посылая лучи радара в атмосферу и изучая изменения длин волн возвращающихся лучей, метеорологи используют эффект Доплера для обнаружения воды в атмосфере.Феномен Доплера также используется в здравоохранении с эхокардиограммами, которые посылают ультразвуковые лучи через тело для измерения изменений кровотока, чтобы убедиться, что сердечный клапан работает должным образом, или для диагностики сосудистых заболеваний. Полиция также полагается на эффект Доплера, когда использует радар для отражения радиолучей от вашей машины; изменение частоты между направленным и отраженным лучами позволяет измерить скорость вашего автомобиля.

NWS JetStream – Как работает доплеровский радар?

Основы радаров заключаются в том, что луч энергии, называемый радиоволнами, излучается антенной.Когда они сталкиваются с объектами в атмосфере, энергия рассеивается во всех направлениях, а часть энергии отражается непосредственно обратно на радар.

Чем больше объект, тем большее количество энергии возвращается в радар. Это дает нам возможность «видеть» капли дождя в атмосфере. Кроме того, время, необходимое для передачи и возврата луча энергии в радар, также зависит от расстояния до этого объекта.

Доплеровский радар

По своей конструкции, доплеровские радиолокационные системы могут предоставлять информацию о движении целей, а также об их местоположении.Когда WSR-88D передает импульсы радиоволн, система отслеживает фазу (форма, положение и форма) этих импульсов.

Путем измерения сдвига (или изменения) фазы между переданным импульсом и принятым эхом вычисляется движение цели непосредственно к радару или от него. Затем это обеспечивает скорость в направлении, в котором указывает радар, называемую радиальной скоростью. Положительный фазовый сдвиг означает движение к радару, а отрицательный сдвиг указывает на движение от радара.

Доплеровский радар посылает энергию в пулах и прослушивает любой возвращенный сигнал.

Эффект фазового сдвига подобен «доплеровскому сдвигу», наблюдаемому со звуковыми волнами. При «доплеровском сдвиге» высота звука объекта, движущегося к вашему местоположению, на выше из-за сжатия (изменения фазы) звуковых волн. Когда объект удаляется от вашего местоположения, звуковые волны растягиваются, в результате чего частота понижается до .

Вы, наверное, слышали об этом эффекте от машины или поезда скорой помощи.Когда автомобиль или поезд проезжают мимо вас, звук сирены или свистка уменьшается по мере того, как объект проезжает мимо.

импульсов доплеровского радара имеют среднюю передаваемую мощность около 450 000 ватт. Для сравнения, обычная домашняя микроволновая печь вырабатывает около 1000 Вт энергии. Тем не менее, каждый импульс длится всего около 0,00000157 секунды (1,57×10 ^-6 ) с периодом прослушивания 0,00099843 секунды (998,43×10 ^-6 ) между ними.

Следовательно, общее время, в течение которого радар фактически передает сигнал (если сложить длительность передачи всех импульсов, каждый час, ), радар передает чуть более 7 секунд каждый час.Остальные 59 минут и 53 секунды тратятся на прослушивание любых возвращенных сигналов.

Доплеровский радар NWS использует стратегии сканирования, при которых антенна автоматически поднимается на все более и более заданные углы, называемые срезами возвышения, по мере ее вращения. Эти вертикальные срезы составляют объемную схему охвата (VCP).

После того, как радар просканирует все срезы высот, сканирование объема будет завершено. В режиме осадков радар выполняет объемное сканирование каждые 4-6 минут в зависимости от того, какая схема объемного покрытия (VCP) работает, обеспечивая трехмерный обзор атмосферы вокруг радиолокационной станции.

Поднимите его на МАКСИМАЛЬНО! Модели покрытия объемов: включите!

Достигните максимума! Поднимите меня!

Достигните максимума! Получение второго мнения

Двойная поляризация

Дополнением к доплеровскому радару NWS была двойная поляризация радиолокационного импульса. Апгрейд “dual-pol” включал новое программное обеспечение и аппаратную приставку к антенне радара, которая обеспечивает гораздо более информативное двухмерное изображение.

Радар

Dual-pol помогает прогнозистам NWS четко определять дождь, град, снег, линию дождя / снега и ледяную крупу, улучшая прогнозы для всех типов погоды.

Еще одним важным преимуществом является то, что двойная оптика более четко обнаруживает обломки торнадо (шар обломков), переносимые по воздуху, что позволяет прогнозистам подтверждать, что торнадо находится на земле и причиняет ущерб, чтобы они могли более уверенно предупреждать сообщества на своем пути. Это особенно полезно ночью, когда наземные наблюдатели не видят торнадо.

Эти два изображения показывают, как двойная поляризация помогает синоптику NWS обнаруживать торнадо, причиняющее ущерб. На левом изображении показано, как доплеровский радар может обнаруживать вращение.Красный цвет между двумя желтыми стрелками указывает на исходящий ветер, а зеленый цвет указывает на прибывающий ветер относительно местоположения радара.

До появления двойной поляризации это все, что мы знали о вращении у поверхности Земли. Если бы штормовые наблюдатели не наблюдали за штормом, мы не знали бы наверняка, что торнадо присутствует.

Правое изображение показывает, как информация о двойной поляризации помогает обнаруживать обломки, захваченные торнадо, поэтому мы можем быть уверены в торнадо, поскольку эти две области совпадают.

Быстрые факты

Все современные РЛС являются оцифрованными доплеровскими РЛС. Поэтому прежняя линия радиолокационного обзора (связанная с аналоговыми радиолокаторами) больше не применима.

Тем не менее, некоторые местные телеканалы продолжают вас дурачить, показывая в своих трансляциях широкий радар.

Подметающая рука – это «фейковые новости» (буквально). Само радиолокационное изображение может быть достоверным, но поворотный рычаг добавляется компьютерной программой после того, как изображение было создано.

Даже если кажется, что изображение обновляется после того, как линия проходит какой-либо конкретный шторм, эта широкая линия создана компьютером, а не реальна.