Эффект доплера применение: В чем заключается эффект Доплера?

Содержание

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 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.

Применение – Эффект Доплера

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 могут применяться в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков), морских и речных течений, а также других объектов.

[править]АстрономияДоказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Доплера.
  • По смещению линий спектра определяют лучевую скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел

С помощью эффекта Доплера 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 соскоростью света (300 000 км/с), то лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и делённой на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.

  • По увеличению ширины линий спектра определяют температуру звёзд

[править]Неинвазивное измерение скорости потока

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей и газов. 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).

[править]Автосигнализации

Для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля

[править]Определение координат

В спутниковой системе Коспас-Сарсат координаты аварийного передатчика на земле определяются спутником по принятому от него радиосигналу, используя эффект Доплера.

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.

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.

гид по эффектам — SAMESOUND

Направляющийся к нам звук кажется выше, чем есть на самом деле. В то же время удаляющийся от на сигнал слышится ниже. Такое необычное искажение восприятия звука мы встречаем каждый день. Объясняем, что такое эффект Доплера простыми словами и рассказываем, как он применяется в музыке.


Удивительный эффект: один и тот же звук звучит по-разному для стоящего на месте и бегущего вперёд человека. Представьте, что вы стоите рядом с падающим деревом, а ваш друг бежит к месту падения. Треск дерева будет звучать для вас ниже, чем для длинноного товарища. Причина искажения восприятия звука для двух людей — эффект Доплера, феномен, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером в середине XIX века.

Эффект Доплера вряд ли проявится во время записи в студии, однако мы постоянно сталкиваемся с ним, когда работаем со звуком на сцене клуба или открытой площадки. Перемещение относительно источника звука всегда приводит к искажению сигналов — об этом важно помнить при настройке оборудования.

Что такое эффект Доплера?

Действие эффекта Доплера встречается нам ежедневно. Например, когда мимо нас проезжает сигналящая машина, звук сигнала сначала кажется высоким, а затем становится низким. Когда звук движется в нашу сторону, он кажется выше, чем есть на самом деле. Когда сигнал удаляется от нас, то слух воспринимает его ниже.

Чтобы понять, как работает эффект Доплера, взглянем на синусоидальную звуковую волну:

Расстояние между пиками (вершинами или гребнями) показывает длину звуковой волны. Разделив скорость волны на её длину, мы получим частоту звука — количество времени, проходящего между пиками. Чем выше частота, то есть чем чаще колебания волны и количество изгибов в ней, тем более высокий звуковой сигнал мы слышим.

Представьте сигналящую машину, направляющуюся в вашу сторону. Из-за движения автомобиля каждый следующий пик звуковой волны располагается всё ближе к вам, что создаёт иллюзию очень близкого расположения пиков друг к другу. Как итог, слуху кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — сигнал слышится очень высоким.

Когда автомобиль проезжает мимо, иллюзия запускается в обратную сторону. Отдаление от нас создаёт впечатление увеличения расстояния между пиками. Такое искусственное удлинение звуковой волны обманывает слух, который воспринимает звук значительно ниже.

Демонстрация эффекта Доплера

Вращающийся динамик

В 1930-х годах изобретатель Дональд Лесли, работавший в компании по продаже и ремонту электронных органов Хаммонда, искал способ обогатить звучание инструмента. Лесли считал, что при всех достоинствах электрооргана он проигрывает обычному органу из-за особенностей звучания. Лесли был уверен: орган распространяет звук во все стороны, из-за чего звучит намного живее, объёмнее и интереснее.

Постепенно изобретатель пришёл к идее Rotary Speaker — вращающегося динамика. В один из дней мужчина обнаружил интересный эффект: при вращении динамика на малой скорости создаётся эффект хоруса, при вращении на большой скорости — эффект вибрато. Причиной такого поведения звука стали недочёты в конструкции корпуса и динамиков, но Лесли не стал устранять проблему — получившийся звук слишком нравился изобретателю.

Позднее Лесли обратился напрямую в Hammond и предложил им оснастить электроорганы вращающимся динамиком Лесли. Удивительно, но фирма Лоуренса Хаммонда отклонила предложение, после чего Лесли основал компанию Leslie и начал самостоятельное производство. Вращающиеся динамики Leslie позиционировались как аксессуар для различных электроорганов, расширяющий его звуковые возможности.

Постепенно особенное звучание вращающегося динамика обрело популярность в музыкальной индустрии, а сам эффект стали называть в честь изобретателя — Leslie. При этом, несмотря на открытия Лесли, в основе его открытия лежит всё тот же эффект Доплера: когда динамик отворачивается от нас, нам кажется, что звуковая волна удлиняется, когда динамик поворачивается к нам — мы слышим иллюзию короткой звуковой волны.

Вращающийся вентилятор

via GIPHY

В быту эффект Доплера можно встретить, если сесть под вращающийся потолочный вентилятор и начать играть на гитаре или петь. При отражении сигнала от вращающихся лопастей звук начнёт менять высоту.

Попытки настроить инструмент под вентилятором не увенчаются успехом — отражённые и оригинальные звуковые волны столкнутся в пространстве, что исказит восприятие звука. Поэтому настраиваться в жаркий день, стоя под вентилятором, нужно только с помощью тюнера.

Эффект Доплера в музыке

Ряд музыкантов и композиторов использовали эффект Доплера в своём творчестве. Среди ярких примеров — 22-минутная синтезаторная сюита Kraftwerk «Autobahn». На отметке 3:17 в композиции появляется синтезаторный эффект, имитирующий проносящиеся по автобану машины.

Похожий звук немецкие электронщики также использовали в композиции «Trans-Europe Express».

Музыкальный экспериментатор Джони Воид превратил звук сирены скорой помощи в мелодию для своей композиции «Doppler». Эффект также можно встретить в творчестве Джими Хендрикса, The Beatles, Queen и Pink Floyd — эти группы имитировали Доплера с помощью уже упомянутого эффекта вращающегося динамика.

ЗакладкиКоллекция

Реклама на SAMESOUND

14. Эффект Доплера. Медицинская физика

Читайте также

4. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света

4. Фотоэлектрический эффект и дискретная природа света Открытие явления фотоэффекта и его дальнейшее изучение принесло физикам много неожиданного. Сущность фотоэффекта состоит в испускании веществом быстрых электронов под воздействием достаточно коротковолнового

ЭФФЕКТ ИОФФЕ

ЭФФЕКТ ИОФФЕ Об эффекте, открытом и исследованном одним из патриархов советской физики академиком Абрамом Федоровичем Иоффе, я всегда с удовольствием рассказываю и во время университетских лекций, и просто в беседах с молодыми людьми, если хочу обратить их в свою веру —

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА

ЭФФЕКТ РЕБИНДЕРА Продолжим рассказ о живущих в кристалле трещинах. Первый обстоятельный доклад о своем открытии Петр Александрович Ребиндер сделал поздним летом 1928 г. на пароходе, спускавшемся вниз по Волге — от Нижнего Новгорода до Саратова. На пароходе плыли

Эффект Зеемана

Эффект Зеемана Повлиять на характер движения зарядов в атоме — дело вполне возможное. Для этого нужно поместить излучающее вещество между полюсами очень сильного магнита. Между полюсами магнита создается очень сильное магнитное поле. Оно подействует на заряды,

4.2. Эффект Рёмера

4.2. Эффект Рёмера Известно, что любой поток света как часть электромагнитного излучения не является строго однородным. Поток состоит из отдельных периодических структур, в которых при движении электрическое и магнитное поля для наблюдателя изменяются по

4.4. Поперечный эффект Рёмера

4.4. Поперечный эффект Рёмера Одним из следствий теории относительности, которое, якобы, не может быть объяснено классической физикой, является поперечный эффект Рёмера (Доплера). Эффект состоит в том, что частота света — ?1, регистрируемая в поперечном направлении к

Эффект Шапиро

Эффект Шапиро Рассмотренные эффекты обычно называют классическими, предсказанными самим Эйнштейном. Начиная с 60–70-х годов прошлого века, появились новые возможности, с помощью которых проверки ОТО стали значительно точнее. Это радиолокация планет и спутников, а также

Эффект Чизхолма

Эффект Чизхолма Основные законы срывов, неудач и затяжек Ф. Чизхолм Можно быть уверенным только в одном: что ни в чем нельзя быть уверенным. Если это утверждение истинно, оно тем самым и ложно. Древний парадокс Подобно большинству научных открытий, общие принципы,

ГЛАВА 6 ЭЙНШТЕЙН И СВЕТ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИСПУСКАНИЕ

ГЛАВА 6 ЭЙНШТЕЙН И СВЕТ, ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ И ВЫНУЖДЕННОЕ ИСПУСКАНИЕ В июне 1905 г., когда Эйнштейн опубликовал в т. 17 Annalen der Physik свою революционную работу Uber einen die Erzeugung und Verwandlung des lichtes betreffenden heuristischen Gesichtpunkt (об эвристической точке зрения, касающейся возникновения и

Фотоэлектрический эффект

Фотоэлектрический эффект Эту работу в настоящее время рассматривают как работу Эйнштейна по фотоэлектрическому эффекту. Однако она имеет гораздо большую значимость. В ней Эйнштейн установил из общих принципов статистической термодинамики, что энтропия излучения,

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕЖДУ МАГНЕТИЗМОМ И СВЕТОМ: ЭФФЕКТ ФАРАДЕЯ Хотя казалось, что свет и магнетизм не имеют ничего общего, на самом деле они взаимосвязаны. Всякий раз, когда мы до чего-нибудь дотрагиваемся, атомы наших пальцев вступают во взаимодействие с атомами этого

Эффект Доплера и его применение в реальной жизни

От проезжающих мимо машин служб экстренной помощи до наблюдений за далекими мирами – эффект Доплера – увлекательное и полезное явление. Здесь мы рассмотрим, что это такое, и обсудим некоторые общие применения эффекта в реальной жизни.

СВЯЗАННЫЙ: MIT PHYSICS ENGINE ПОКАЗЫВАЕТ, ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ, ЕСЛИ СВЕТ ПРОЙДЕТ НА 6,5 ФУТОВ / СЕКУНД

Что означает термин «эффект Доплера»?

Согласно таким источникам, как Encyclopedia Brittanica, эффект Доплера определяется как:

«Видимая разница между частотой, с которой звуковые или световые волны покидают источник, и частотой, с которой они достигают наблюдателя, вызванная относительным движением наблюдатель и источник волны.

Это явление используется в астрономических измерениях, в исследованиях эффекта Мёссбауэра, а также в радарах и современной навигации. Впервые он был описан в 1842 году австрийским физиком Кристианом Допплером ».

Что такое эффект Доплера?

Как и все в жизни, лучший способ понять что-то – это наблюдать это по-настоящему, если это возможно. Итак, что касается Доплера. эффект, это то, что вы, вероятно, испытываете каждый день, независимо от того, замечаете ли вы это или нет. с включенной сиреной.Если вы обратите внимание, то заметите изменение высоты тона, когда он приближается, а затем проходит мимо.

Сирена будет восприниматься на более высоком уровне при приближении, пока источник сирены не достигнет, а затем не пройдет мимо вас. Как только вы окажетесь «за» сиреной, высота звука упадет.

Это происходит потому, что любые волны, излучаемые источником объекта, сжимаются (длина волны сжимается, а частота увеличивается), условно говоря, при приближении к наблюдателю. Напротив, волны растягиваются (опять же относительно) по мере удаления источника от наблюдателя.

Эффект Доплера также является причиной появления звуковых ударов в сверхзвуковых самолетах.

Пока источник или наблюдаемые объекты движутся медленнее скорости света (т. Е. Нерелятивистски), изменение частоты можно рассчитать по следующим формулам:

Формула 1 является нерелятивистской Доплеровская частота объекта, движущегося со скоростью v относительно неподвижного наблюдателя.

Формула 2 – это результирующая длина волны с доплеровским смещением.

Источник : Представьте Вселенную НАСА.

В обеих формулах c 0 – это скорость волны в неподвижной среде (в данном случае скорость звука), а скорость – это радиальная составляющая скорости (часть на прямой от наблюдателя).

Обе эти формулы являются нерелятивистскими приближениями, которые верны до тех пор, пока скорость движущегося объекта намного меньше скорости света.

Важно отметить, что существует соглашение, согласно которому скорость всегда положительна, если источник движется от наблюдателя, и наоборот, отрицательна, когда он движется к нему.

Аналогичное явление наблюдается и со светом.

Свет от звезд при наблюдении с точки отсчета, такой как Земля, на самом деле меняет цвет в зависимости от относительного движения Земли и далекой звезды. Если звезда удаляется от Земли, условно говоря, свет сместится в сторону красного конца спектра.

Это называется «красным смещением», когда говорят об эффекте Доплера и освещении. Другими словами, он имеет более низкую частоту и большую длину волны.

Слева: И наблюдатель, и пожарные машины неподвижны. Если мы говорим, что его сирена издает тон 400 Гц, то никаких изменений не происходит.

Справа: Наблюдатель стоит, но грузовик движется к ним. Волны сжимаются и наблюдатель слышит не 400 Гц , а более высокий тон.

Обратите внимание, что все кружки представляют собой звуковые волны, излучаемые сиреной.

Источник: Представьте Вселенную НАСА.

Если Земля и далекая звезда приближаются друг к другу, свет от звезды будет смещен в сторону фиолетового конца светового спектра. Другими словами, свет имеет более высокую частоту и более короткую длину волны.

Это называется «блюшифтинг».

Хотя это практически невозможно, теоретически вы должны иметь возможность двигаться достаточно быстро к красному свету, чтобы он выглядел зеленым.

Вы можете сделать то же самое для любой другой части электромагнитного спектра в зависимости от относительного движения наблюдателя к источнику излучения.

Следует отметить, что приведенные выше диаграммы и формулы одинаково хорошо работают для звука и света, пока они являются источниками, не движущимися со скоростью, близкой к скорости света. Если относительная скорость между источником излучения и наблюдателем действительно приближается к скорости света, тогда необходимо учитывать релятивистские эффекты.

По этой причине приведенные выше формулы необходимо изменить.

Схема эффекта Доплера относительно света. Источник: НАСА Представьте себе Вселенную.

Это явление интересно не только с научной точки зрения, но и имеет очень полезное применение в реальной жизни. От изучения движения звезд и поиска двойных звезд в космосе до помощи в прогнозировании погоды на завтра, эффект Доплера регулярно используется для углубления нашего понимания окружающей нас природы.

В чем разница между эффектом Доплера и доплеровским сдвигом?

По сути, ничего. Эти два термина используются как синонимы.

Тем не менее, некоторые действительно различают их как разницу между наблюдаемым видимым изменением частоты звука или света для наблюдателя (эффект Доплера) и фактическим изменением относительного движения по отношению к среде между источником излучения и наблюдателем. (Доплеровский сдвиг).

Среда – это что-то вроде воздуха – она ​​необходима, прежде всего, для распространения звука. С другой стороны, свет прекрасно путешествует в космическом вакууме.

На практике это одно и то же, особенно в отношении наблюдения за относительным движением небесных тел.Это связано с тем, что Земля постоянно находится в движении вокруг своей оси и в космосе, как и любые другие объекты в космосе, такие как планеты и звезды.

Для чего используется эффект Доплера?

Итак, без лишних слов, вот несколько способов использования эффекта Доплера в реальной жизни. Этот список далеко не исчерпывающий и в нем нет определенного порядка.

1. Ученые используют эффект Доплера для наблюдения далеких звезд

Источник: ESO / M. Kornmesser / NASA

Эффект Доплера – очень полезный инструмент для астрономов.Звезды постоянно излучают электромагнитные волны во всех направлениях, которые мы можем наблюдать отсюда, на Земле.

По мере того как звезда вращается вокруг своего центра масс и перемещается в пространстве, длины волн ее электромагнитного излучения смещаются соответственно относительно нашего положения на Земле.

Мы наблюдаем это как очень тонкие изменения в спектре ЭМ, особенно в его видимой части. Когда звезда движется к нам, ее длины волн электромагнитного излучения сжимаются и становятся немного голубее (голубые смещения).

Когда звезда удаляется от нас, излучаемый ею свет становится чуть более красным или смещается в красное смещение. Чтобы наблюдать этот эффект, астрономы используют так называемый спектрограф (призматический прибор), который разделяет входящие световые волны на разные цвета.

Во внешнем слое звезды атомы поглощают свет определенных длин волн. Их можно увидеть как «отсутствующие», так как они выглядят как темные линии разного цвета излучаемого солнечного спектра.

Их можно использовать в качестве маркеров для измерения величины доплеровского сдвига.Если звезда находится сама по себе (нет планет или других близлежащих звезд), этот образец должен оставаться относительно постоянным с течением времени.

Если вокруг есть звезда-компаньон, гравитационное притяжение этого невидимого тела будет влиять на движение другой звезды в определенных точках ее орбиты. Это приведет к заметному изменению общей картины доплеровского сдвига с течением времени.

2. Эффект Доплера используется для поиска экзопланет

Ранее в этом году НАСА смогло обнаружить первую экзопланету, которая затмила свое родительское солнце. Источник : НАСА.

Как и звезды-компаньоны, эффект Доплера можно использовать для обнаружения или, по крайней мере, предположения об их присутствии вокруг далекой звезды. Поскольку эти планеты относительно малы, их очень сложно наблюдать напрямую с помощью обычных телескопов.

Даже если бы мы могли, они часто не видны из-за непреодолимого сияния их родительской звезды.

Любая звезда, у которой есть экзопланеты, будет очень немного “покачиваться” вокруг своей оси. Мы можем использовать эффект Доплера, чтобы найти звездные системы-кандидаты.Однако следует отметить, что с помощью этого подхода мы можем найти только более крупные планеты, похожие на Юпитер или больше.

Эффект будет более тонким, чем у звезды-компаньона, но полезно определить период обращения планеты (он же длина «года») и вероятную форму ее орбиты, а также ее вероятную минимальную массу.

Для меньших экзопланет, таких как другая планета размером с Землю, требуются другие методы. Специализированные аппараты, такие как космический корабль НАСА «Кеплер», ищут капли в излучении родительского Солнца, когда планеты движутся по поверхности своего Солнца.

Названный «методом прохождения», астрономы могут вычислить относительное падение яркости звезды и использовать эти данные для расчета размера тела, прошедшего мимо Солнца. Мы даже можем определить, насколько далеко находится экзопланета, и получить информацию о ее вероятном составе атмосферы.

Эффект Доплера, если аппаратура наблюдения достаточно чувствительна, может даже использоваться для наблюдения вероятного атмосферного состояния планеты. По данным Массачусетского технологического института, в 2010 году один из их аспирантов, Саймон Альбрехт, смог обнаружить, что изменение цвета света, поглощаемого планетой, указывает на то, что в ее атмосфере, вероятно, присутствуют сильные ветры.

На сегодняшний день более 4000 экзопланет (по состоянию на 3 сентября 2020 года НАСА объявило, что мы подтвердили 4276 ) было обнаружено с помощью таких вещей, как эффект Доплера. Есть также тысячи экзопланет-кандидатов, которые еще не подтверждены официально.

Удивительно, но первая экзопланета была открыта более трех десятилетий назад, в 1990-е годы. С тех пор их количество росло в геометрической прогрессии. Поскольку наш наблюдательный аппарат со временем становится все более сложным и чувствительным, кто знает, что сможет узнать об этих далеких мирах.

3. Лазерные доплеровские анемометры также используют эффект Доплера.

Чертеж лазерного анемометра. Источник : Пол Д./Wikimedia Commons

Анемометры – это устройства, используемые для измерения скорости ветра. Они бывают разных форм и были впервые изобретены итальянским художником Леоном Баттистой Альберти в 1450 годах нашей эры.

Наиболее распространенные из них, с которыми вы, вероятно, знакомы, – это чашечные анемометры и крыльчатые анемометры.

Однако существуют специализированные анемометры, называемые лазерными доплеровскими анемометрами.Техническое название – лазерная допплеровская велосиметрия, устройства состоят из:

  • Оптического эмиссионного устройства, обычно лазера
  • Некоторая форма приемного устройства с оптической системой, включая фотодетектор и фотоумножитель
  • Некоторая форма системы для обработки сигналов, принимаемых от фотоумножитель

Лазер разделяется на два параллельных луча с помощью призмы, оба из которых затем проходят через линзу, которая заставляет их сходиться в удаленной фокусной точке.Затем эти лучи улавливаются приемником и умножаются, чтобы их можно было использовать для измерения скорости ветра.

Эффект Доплера затем используется для расчета относительной скорости частиц в воздухе, поскольку световые лучи рассеиваются до достижения приемника.

Этот метод можно использовать в других приложениях, помимо расчета скорости ветра. Он часто применяется, например, в исследованиях притока, автоматизации, медицине, навигации, а также для калибровки и других измерительных систем.

Некоторые из этих методов мы обсудим позже.

4. Датчики потока и уровня также используют эффект Доплера.


Установка лазерной доплеровской анемометрии, работающая в лаборатории. Источник : Technokrata / Wikimedia Commons

В целом метод, аналогичный лазерным доплеровским анемометрам, эффект Доплера также можно использовать для измерения потока жидкости и в качестве датчиков уровня.

Это хорошо зарекомендовавший себя метод, широко используемый в гидродинамике для измерения движущихся жидкостей и газов.Это ненавязчиво и очень полезно для вещей, связанных с реверсивным потоком, химически реагирующими или высокотемпературными средами, вращающимся оборудованием, а также в других ситуациях, когда использование физических датчиков может быть затруднено или невозможно.

Однако этот метод требует наличия в потоке индикаторных частиц. Этот метод работает путем направления монохроматического лазерного луча к целевой жидкости из газа.

В некоторых случаях, например, в сточных водах, метод основан на использовании любых твердых частиц или пузырьков газа в жидкости.

Затем приемник собирает и анализирует любое отраженное излучение. Используя принципы эффекта Доплера, любое изменение длины волны отраженного излучения можно использовать для расчета относительной скорости цели.

4. В некоторых эхокардиограммах также используется эффект Доплера.

Пример записи цветной доплеровской эхокардиограммы. Источник : Эспинола-Завалета Н. и др. / Wikimedia Commons

Эхокардиограмма – это специальная неинвазивная (то есть процедура не включает прокалывание кожи) процедура для оценки функции и структур сердца.Обычно процедура включает использование преобразователя (например, микрофона) для передачи звуковых волн очень высокой частоты.

Когда датчик размещается на груди в определенных местах и ​​под определенными углами, волны проходят через кожу и другие ткани тела к сердцу. Когда волны ударяются о сердце, они отражаются от физических структур сердца или отражаются от них.

Возвращаемые сигналы улавливаются приемником, который преобразует их в электронные сигналы и передает их компьютеру для создания движущихся изображений клапанов и стенок сердца.

Эхокардиограммы бывают разных форм, но одна из них использует эффект Доплера для работы. Названный – как ни странно – допплеровской эхокардиограммой, это устройство широко используется во многих медицинских практиках по всему миру.

Этот метод допплеровской эхокардиограммы обычно используется для измерения и оценки кровотока через камеры и клапаны сердца.

Он определяется как «количество крови, откачиваемое с каждым ударом, является показателем работы сердца.Кроме того, допплерография может обнаружить аномальный кровоток в сердце, который может указывать на проблему с одним или несколькими из четырех сердечных клапанов или со стенками сердца ».

Существует также другой метод, называемый цветной допплеровской эхокардиографией. Расширенная версия обычная допплеровская эхокардиография, разные цвета используются для обозначения направления кровотока.

Этот метод помогает упростить интерпретацию доплеровской техники.

5. Пульсно-доплеровский РАДАР также использует эффект Доплера

Пример воздушного импульса -Доплеровская антенна радара. Источник : Simm / Wikimedia Commons

Еще одно интересное применение эффекта Доплера – импульсный доплеровский РАДАР. Этот метод, который в первую очередь используется для изучения погоды, настолько чувствителен, что может фактически определять движение капель дождя и интенсивность осадков.

Pulse-Doppler RADAR использует радар с двойной поляризацией, который отправляет и принимает вертикальные и горизонтальные импульсы.

Такие устройства могут определять расстояние до цели, используя методы синхронизации импульсов, и могут вычислять скорость целевых объектов, используя принципы эффекта Доплера.

Впервые разработанная для военных целей, одно из первых применений было для CIM-10 Bomarc (американская сверхзвуковая ПВРД дальнего действия, вооруженная ядерной боеголовкой W40). Эта ракета предназначалась для поражения в воздухе целых группировок самолетов противника.

Эта технология также широко использовалась в истребительной авиации в 1960-е годы. Он также используется в системах управления воздушным движением, чтобы выделять воздушные суда из беспорядка.

Pulse-Doppler RADAR также является основой RADAR с синтезированной апертурой, который обычно используется в радиолокационной астрономии, дистанционном зондировании и картографии.Этот метод также нашел применение в здравоохранении, для оценки риска падений и обнаружения падений, а также в медицинских и клинических целях.

6. Скоростные пушки RADAR также используют эффект Доплера.

Источник: Fabio Pozzebom / ABr / Wikimedia Commons

Еще одно интересное применение эффекта Доплера – скоростные пушки RADAR и RADAR. Используя принципы эффекта, можно измерить скорость целевого объекта на расстоянии.

В случае скоростных орудий RADAR луч RADAR стреляет по движущейся цели, например, автомобилю, когда она приближается к источнику RADAR или удаляется от него.Они могут быть как ручными, так и установленными на транспортном средстве и измеряют скорость целевого транспортного средства, обнаруживая изменение частоты возвращающегося радиолокационного сигнала.

Если транспортное средство приближается, частота будет выше, чем излучаемый источником РАДАРА, и наоборот, если транспортное средство движется вдали от РАДАРА. Используя эту информацию, затем можно рассчитать относительную скорость целевой машины относительно неподвижной радиолокационной пушки.

Эти устройства обычно используются для обеспечения соблюдения ограничений скорости, но все больше устройств используют LIDAR, а не RADAR.Однако основной принцип одинаков для обоих типов радаров.

7. Некоторые громкоговорители также используют эффект Доплера

Колонка Лесли в прозрачном пластиковом корпусе. Обратите внимание на вращающиеся рожки над динамиком. Источник : Hustvedt / Wikimedia Commons

И, наконец, еще одно интересное применение эффекта Доплера в реальной жизни есть у некоторых ораторов-специалистов. Колонки Leslie объединяют усилитель и громкоговоритель, которые могут проецировать сигнал от электрического или электронного инструмента и изменять звук, вращая перегородку (барабан) перед громкоговорителями.

Громкоговорители также включают вращающийся набор высоких рупоров в верхней части динамика, которые движутся в унисон с вращающимся основным барабаном. Это производит очень уникальный звук.

Динамик был разработан Дональдом Лесли в 1930-х годах, чтобы обеспечить динамик для органа Hammond, который лучше имитировал бы трубу или театральный орган. Орган Hammond – это электрический орган, впервые изобретенный Лоренсом Хаммондом и Джоном М. Ханертом в 1930-х годах.

Эти громкоговорители используют принципы эффекта Доплера, применяя электродвигатель для превращения звуковых рупоров в окружение громкоговорителя.Аналогичный эффект может быть получен путем вращения ряда рожков перед высокочастотным динамиком.

Эти динамики также обычно используются в сочетании с электрогитарой и некоторыми другими электронными музыкальными инструментами. Музыкант может управлять динамиком с помощью внешнего переключателя или педали, которые могут переключаться между медленными и высокими скоростями, известными как «хорус» и «тремоло».

Вот и все.

Как мы видели, эффект Доплера не только интересен сам по себе, но также имеет некоторые важные практические применения.Вы больше никогда не будете так смотреть на проезжающий автомобиль.

10 Применение эффекта Доплера – информация о лидарах и радиолокаторах

Эффект Доплера также называется доплеровским сдвигом; это изменение длины волны или частоты волны для зрителя, идущего относительно источника волны. Эффект Доплера получил свое название в 1842 году в честь Кристиана Доплера, физика из Австралии, который объяснил это явление.

Примером эффекта Доплера может служить изменение высоты звука дорожки, звучащей в рог на расстоянии, когда она приближается и проходит ближайшим наблюдателем.На данный момент количество принимаемых частот очень велико.

Эффект Доплера может возникать в результате движения наблюдателя, движения источника или движения среды.

1. Использование в измерении расхода

Были разработаны такие инструменты, как акустический доплеровский измеритель скорости (ADV) и лазерный доплеровский измеритель скорости (LDV), которые используются для расчета скоростей потока жидкости. AVD излучает ультразвуковую акустику, а LDV излучает световой луч, чтобы помочь вычислить доплеровский сдвиг длины волны отражения от частиц, движущихся с потоком.

2. Использование для измерения вибрации

Лазерный доплеровский виброметр (LDV) – это бесконтактное оборудование, которое используется для измерения вибрации. LDV излучает лазерный луч, который направляется на интересующую поверхность, и в результате частота и амплитуда могут быть считаны по эффекту Доплера частоты лазерного луча из-за движения по поверхности.

3. Использование в аудио

Есть некоторые громкоговорители, такие как громкоговорители Leslie, которые часто ассоциируются со знаменитым органом Hammond и используются вместе с ним.Он хорошо использует доплеровский сдвиг, применяя электродвигатель для поворота акустического рожка к окружению громкоговорителя, что заставляет звук двигаться по кругу. Результатом является быстрое изменение частот клавиатуры, а не уха наблюдателя.

4. Использование в измерении профиля скорости

Ультразвуковая допплеровская велосиметрия (UDV) изначально была создана для измерения скорости в медицинских приложениях, то есть кровотока. Ультразвуковая доплеровская велосиметрия может рассчитать полную скорость сусла, частицы которого находятся во взвешенном состоянии в реальном времени, например эмульсия, пыль и пузырьки газа, потоки могут быть турбулентными или слоистыми, пульсирующими, переходными или стационарными, колеблющимися.Этот метод не такой уж и оскорбительный.

5. Использование в радаре

Есть радар, который использует эффект Доплера для расчета скорости целевых объектов. Луч радара попадает в движущуюся цель, например, в транспортное средство. Полиция использует радар для обнаружения транспортных средств, которые едут на высокой скорости, стрельба по этому движущемуся транспортному средству с помощью луча радара помогает точно рассчитать скорость транспортного средства и указать, насколько быстро он движется.

6. Использование в медицине

Врачи могут использовать эхокардиограмму с определенными ограничениями, чтобы произвести точную оценку скорости сердечных тканей и крови и определить, в каком направлении кровь течет в любой заданной точке с помощью эффекта Доплера. Один из недостатков – невозможность оценить сердечную функцию и области клапанов. Расчет скорости кровотока в венах и артериях с использованием эффекта Доплера является точным инструментом для определения сосудистых проблем, таких как стеноз

7. Использование в вооруженных силах

С помощью гидролокаторов военные используют эффект Доплера, чтобы определять скорость своих подводных лодок. Вспомогательный буй генерирует стабильные частоты, которые будут испытывать эффект Доплера при контакте с любым движущимся объектом или подводной лодкой. Регистрируется скорость, с которой движущийся объект приближается к целевому объекту или приближается к нему.

8. Использование в аэрокосмической навигации

Как мы уже обсуждали ранее, радары используют эффект Доплера.Департамент авиации также использует его для расчета скорости летающих объектов, например дронов, самолетов и т. Д.

9. Использование в астрономии

Астрономия – это исследование небесных тел, таких как звезды, планеты и явления, которые началось из земной атмосферы. Телескопы можно использовать для наблюдения за звездами и другими телами, но у этого есть свои ограничения. На определенных расстояниях изображения не такие четкие. Отсюда скорость, с которой галактики и звезды приближаются к нам или удаляются от нас.Он используется для расчета скорости, с которой вращаются галактики и звезды, и находится ли звезда на близком расстоянии (двойная система).

10. Использование при измерении скорости автомобиля

Эффект Доплера можно использовать для расчета скорости любого автомобиля. Расчеты изменения радиоволн от вращающихся спутников, например, используются в морских навигационных системах, а также могут использоваться в радиолокационном наблюдении для определения скорости автомобилей.

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, прежде чем достигнет наблюдателя B, и, таким образом, требуется меньше времени для достижения. 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 появления, 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 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.

Применение доплеровского радара

RADAR, что означает “Радио”. Обнаружение и определение дальности – это распространенный метод обнаружения движущиеся объекты.Например, полиция использует доплеровский радар, чтобы определить скорость движущегося транспортного средства. Австрийский физик по имени Доплер впервые описал концепцию в 19 век. Эффект Доплера описывает то, что происходит, когда волна (звук, радио и т. д.) попадает в движущийся объект.

Например, полиция использовать радар-детектор, чтобы определить скорость автомобиля как он движется по шоссе.Радиолокационные волны передаются от полицейская машина с определенной частотой. Напомним, что волны имеют как амплитуду, так и частоту. Когда волны отскакивают на движущийся объект влияет их частота. Как радио волны отскакивают от машины, которая движется к детектору, частота волны уменьшается. Если волны отскакивают от автомобиль удаляется от детектора частота волны увеличивается.Детектор использует разницу в передаваемые и принимаемые частоты волн для определения скорость машины.

Радиолокационная технология теперь встроенный в новый фонарик размером с устройство, которое может обнаруживать движение человека через дверь или стена. Устройство может обнаруживать движение, вызванное человеческим дыхание на расстоянии до трех метров.Устройство будет пригодится полиции при обнаружении преступников в засаде ситуация, при проверке койки в тюрьмах или определение местонахождения заложников в здании. В устройство также может быть использовано для обнаружения выживших землетрясение или лавина.

Радиолокационная техника также может быть используется для обнаружения наземных мин.НАТО тратит миллионы на разработать устройство для обнаружения и обезвреживания наземных мин. В базовая технология состоит из двух антенн, которые фокусируют радар энергии в точку чуть ниже земли в нескольких футах перед человек, несущий антенну. Устройство запрограммировано на игнорировать сигналы, которые отражаются от поверхности, и заставлять закопанные объекты светятся ярче на радиолокационном изображении.Этот позволяет оператору фактически обнаруживать фугасы даже не касаясь земли.

Практическое применение эффекта Доплера

Примерно за 160 лет с тех пор, как Доплер впервые описал волновое явление, которое укрепило его место в истории, появилось несколько практических применений эффекта Доплера для служения обществу. Во всех этих приложениях происходит одно и то же: стационарный передатчик излучает волны на движущийся объект.Волны ударяются о объект и отскакивают обратно. Передатчик (теперь приемник) определяет частоту возвращенных волн. На основании величины доплеровского сдвига можно определить скорость объекта. Давайте рассмотрим несколько конкретных примеров.

Полицейский радар

Переносные радары, используемые полицией для проверки скорости транспортных средств, основаны на эффекте Доплера. Вот как они работают:

  1. Полицейский занимает позицию на обочине дороги.
  2. Офицер наводит радар на приближающуюся машину.Пистолет излучает радиоволны определенной частоты.
  3. Радиоволны поражают автомобиль и отражаются обратно к радару.
  4. Радар измеряет частоту возвращающихся волн. Поскольку машина движется к пушке, частота возвращающихся волн будет выше, чем частота волн, первоначально переданных пушкой. Чем выше скорость автомобиля, тем выше частота возвратной волны.
  5. Разница между излучаемой частотой и отраженной частотой используется для определения скорости транспортного средства.Компьютер внутри пушки мгновенно выполняет расчет и показывает офицеру скорость.

Доплеровский радар

Метеорологи используют аналогичный принцип для определения погодных явлений. В этом случае стационарный передатчик находится на метеостанции, а исследуемый движущийся объект – штормовая система. Вот что происходит:

  1. Радиоволны излучаются метеостанцией на определенной частоте.
  2. Волны достаточно большие, чтобы взаимодействовать с облаками и другими атмосферными объектами.Волны ударяются о предметы и отскакивают обратно к станции.
  3. Если облака или осадки удаляются от станции, частота отраженных назад волн уменьшается. Если облака или осадки движутся к станции, частота отраженных назад волн увеличивается.
  4. Компьютеры в радаре с помощью электроники преобразуют данные доплеровского сдвига об отраженных радиоволнах в изображения, показывающие скорость и направление ветра.

Доплеровские изображения не совпадают с изображениями отражательной способности.Изображения отражательной способности также зависят от радара, но они не основаны на изменениях частоты волн. Вместо этого метеостанция излучает луч энергии, а затем измеряет, какая часть этого луча отражается обратно. Эти данные используются для формирования изображений интенсивности осадков, которые мы постоянно видим на погодных картах, где синий цвет означает легкие осадки, а красный – сильные осадки.

Доплеровская эхокардиограмма

Традиционная эхокардиограмма использует звуковые волны для получения изображений сердца. В этой процедуре радиолог использует датчик для передачи и приема ультразвуковых волн, которые отражаются, когда достигают края двух структур с разной плотностью.Изображение, полученное с помощью эхокардиограммы, показывает края структур сердца, но оно не может измерить скорость кровотока, протекающего через сердце. Для получения этой дополнительной информации необходимо использовать доплеровские методы. На доплеровской эхокардиограмме звуковые волны определенной частоты передаются в сердце. Звуковые волны отражаются от клеток крови, проходя через сердце и кровеносные сосуды. Движение этих ячеек в сторону или от передаваемых волн приводит к сдвигу частоты, который можно измерить.Это помогает кардиологам определять скорость и направление кровотока в сердце.

11 примеров эффекта Доплера в повседневной жизни – StudiousGuy

Вы когда-нибудь замечали сирену скорой помощи, которая, казалось, меняет высоту звука, проезжая мимо вас по дороге? Или вы когда-нибудь задумывались, почему считается, что Вселенная расширяется? Явление, ответственное за оба наблюдения, называется эффектом Доплера. Эффект Доплера – это кажущееся изменение частоты волны, вызванное относительным движением наблюдателя и источника волны.Проще говоря, если либо источник звука, либо наблюдатель, либо оба движутся относительно друг друга, тогда частота звука в его источнике будет отличаться от частоты в точке, где он наблюдается. . Важно отметить, что частота изменяется не источником, а из-за относительного движения между наблюдателем и источником. Когда источник волны движется к наблюдателю, каждая последующая волна, испускаемая источником, требует меньше времени, чем предыдущая, чтобы достичь наблюдателя.Это уменьшение во времени вызывает увеличение частоты (ν = 1 / t). И наоборот, если источник волн удаляется от наблюдателя, каждая волна излучается с позиции дальше от наблюдателя, чем предыдущая волна, поэтому время прихода между последовательными волнами увеличивается, тем самым уменьшая частоту.

Доплер предложил этот эффект в 1842 году в своей исследовательской работе под названием «Über das farbige Licht der Doppelsterne» («Относительно цветного света двойных звезд и некоторых других звезд неба»), когда он изучал двойные звезды на небе.Спустя три года эта гипотеза была проверена на наличие звуковых волн голландскими метеорологами по имени Buys Ballot.

Указатель статей (Нажмите, чтобы перейти)

Формулировка эффекта Доплера

Изменение кажущейся частоты звуковой волны определяется

Математическая формулировка эффекта Доплера для объекта, движущегося со скоростью намного меньшей, чем скорость света, довольно проста. На приведенном выше рисунке {f} _ {0} – это фактическая частота звука, а f – кажущаяся частота звука.Кажущаяся частота (f) будет произведением отношения изменения скорости к исходной частоте ({f} _ {0}).

Давайте рассмотрим некоторые из реальных примеров эффекта Доплера.

1. Сирены

Все мы знакомы со скользящей высотой движущейся сирены, будь то скорая помощь, полицейская сирена или звонок пожарной машины. Как объяснялось выше, это кажущееся изменение высоты звука связано с эффектом Доплера.Но в реальной жизни наблюдение не так очевидно. Мы слышим сирену аварийной машины, которая неравномерно усиливается по мере приближения к нам и неравномерно уменьшается по мере удаления. Это из-за углового разрешения волны. Проще говоря, мы не стоим прямо на пути приближающегося или удаляющегося источника. Волновой фронт от источника попадает в нас под углом; поэтому мы рассматриваем радиальную составляющую его скорости.

{v} _ {радиальный} = {v} _ {s} • cosθ

, где θ – угол между прямой скоростью объекта и лучом зрения от объекта до наблюдателя.

2. Акустический доплеровский профилограф тока (ADCP)

Акустический доплеровский измеритель течения – это устройство, подобное SONAR, которое используется для измерения скорости воды в диапазоне глубин с использованием эффекта Доплера звуковых волн, рассеянных обратно частицами в толще воды. ADCP содержат пьезоэлектрический преобразователь, который передает или принимает звуковые сигналы. ADCP работает, передавая в воду «пинги» звука с постоянной частотой (выше диапазона человеческих чувств).Когда звуковые волны распространяются, они отражаются от частиц, взвешенных в движущейся воде, и отражаются обратно в инструмент. Из-за эффекта Доплера звуковые волны, отраженные от частицы, удаляющейся от ADCP, имеют немного пониженную частоту, когда возвращаются. Частицы, движущиеся к инструменту, посылают обратно более высокочастотные волны. ADCP используют этот сдвиг для расчета скорости движения частицы и воды вокруг нее. Он работает в диапазоне частот от 38 кГц до нескольких МГц. Устройство под названием Sodar (звуковое обнаружение и дальность), которое используется для профилирования воздушных потоков, работает по тому же основному принципу.

3. Полицейские радары

Вы могли задаться вопросом, как небольшой удобный скоростной пистолет может так точно рассчитать скорость вашего автомобиля. Скоростное ружье – это устройство, используемое сотрудниками правоохранительных органов для проверки превышающих скорость транспортных средств. Он в основном состоит из радиопередатчика и приемника. Скоростная пушка передает радиоволновой сигнал и получает тот же сигнал обратно после того, как отразится от целевого объекта. Когда объект приближается к радару, частота возвратных волн выше, чем передаваемых волн, а когда объект удаляется, частота ниже.Исходя из этой разницы, радар может рассчитать скорость объекта, от которого волны были отражены.

4. Импульсный доплеровский радар

Возможно, величайшим организационным достижением Второй мировой войны после атомной бомбы был бесконтактный радиовзрыватель. Это был огромный технологический прорыв, который изменил ход войны. Бесконтактный взрыватель представлял собой радиопередатчик и приемник, который использовался для обнаружения пути объекта с помощью эффекта Доплера.Когда объект подходил достаточно близко, примерно на 30 футов, взрыватель срабатывал, тем самым уничтожая цель. До появления неконтактного взрывателя было сложно точно рассчитывать траекторию быстро движущихся целей и настраивать обычные взрыватели для их поражения. Неконтактный взрыватель был настолько ценным секретом, что его было запрещено использовать над территорией врага до самого конца войны, на случай, если противник, возможно, воспроизведет технологию или разработает контрмеры.

5. Допплеровская эхокардиограмма

Эхокардиограмма – это устройство, используемое для определения направления и скорости кровотока.Принцип эффекта Доплера может быть применен к ультразвуковым волнам для определения скорости и направления движения крови. Точно так же, как скорость движущегося транспортного средства определяется радаром, на эхокардиограмме мы можем определить скорость клеток крови, измеряя величину частотного сдвига между передаваемым и принимаемым сигналами. Кроме того, мы можем определить направление кровотока в зависимости от того, положительный или отрицательный доплеровский сдвиг.

6.Лазерный доплеровский анемометр

Для исследования гидродинамики жидкостей и газов во всем мире широко используются лазерные доплеровские анемометры. Направленная чувствительность, бесконтактные и точные измерения LDA делают его полезным для приложений с реверсивным потоком, химически реагирующими или высокотемпературными средами, а также вращающимся оборудованием, где использование физических датчиков может быть затруднено или невозможно. Обычно LDA направляет монохроматический лазерный луч к цели и собирает отраженное излучение.Согласно эффекту Доплера, изменение длины волны отраженного излучения зависит от относительной скорости целевого объекта. Следовательно, скорость объекта можно определить, измерив изменение длины волны отраженного лазерного света. Это делается путем формирования интерференционной полосы (узор из светлых и темных полос) путем наложения исходного и отраженного сигналов.

7. Аудиоприложения

Звук – это минутное колебание давления воздуха.Самым ранним известным применением эффекта Доплера в музыкальной сфере был динамик Лесли, связанный с органом Хаммонда. В сфере производства цифровой музыки эффект Доплера используется для улучшения качества музыки. Существует множество плагинов и эффектов, основанных на эффекте Доплера. На практике музыкальные композиторы используют такие эффекты, чтобы направить конкретный ритм в конкретную целевую среду, изменяя моно и стерео аудиоформаты на многоканальный формат. Для того, чтобы сделать эффект как можно более реальным, необходимо уделить особое внимание начальным и конечным точкам эффекта, кривой дорожки, центральному времени и элементам управления цветом тона подключаемого модуля Doppler.

8. Спутники

Эффект Доплера обычно измеряется по частоте сигналов, принимаемых наземными приемными станциями при слежении за спутниками. Увеличение или уменьшение расстояния между спутником и наземной станцией может быть вызвано сочетанием траектории спутника, его орбиты вокруг планеты, вращения Земли вокруг Солнца и суточного вращения Земли вокруг своей оси. Спутник, приближающийся к Земле, добавит положительный частотный сдвиг к принимаемому сигналу.Однако полученное доплеровское смещение станет нулевым, когда он пройдет мимо Земли, а затем станет отрицательным, когда спутник удалится от Земли. Сдвиг частоты, вызванный эффектом Доплера, пропорционален относительной скорости между передатчиком и приемником или, точнее, относительной фазовой скорости, которая является относительной скоростью, изменяемой средой распространения. Принимая во внимание все эти параметры, наземные станции на Земле наблюдают и отслеживают навигацию спутников.

9. Астрономия

Хотя пример звука обычно встречается, эффект Доплера для света или электромагнитных волн был предложен австрийским физиком Кристианом Доплером как попытка объяснить наблюдаемую окраску звезд. Эффект Доплера нельзя наблюдать визуально в случае электромагнитных световых волн. Хотя с помощью соответствующих спектроскопических устройств, смещение линий в спектрах далеких галактик в красную область видимого света, т.е.е., в сторону более длинных волн. Это явление известно как доплеровское красное смещение. Свет от движущихся объектов будет иметь разную длину волны в зависимости от относительного движения источника и наблюдателя. Наблюдатели, глядя на объект, удаляющийся от них, видят свет с большей длиной волны, чем он имел при испускании (красное смещение), в то время как наблюдатели, смотрящие на приближающийся источник, видят свет, который смещен в сторону меньшей длины волны ( синий сдвиг). В 1929 году астроном Эдвин Хаббл измерил скорости большого количества галактик с помощью эффекта Доплера.Он обнаружил, что почти все галактики удаляются от нас. Он также обнаружил, что их скорость всегда пропорциональна их расстоянию. Отношение этих двух величин стало знаменитой «постоянной Хаббла» и представляет собой скорость расширения Вселенной.

10. Биология развития

Что общего у вас, меня и многих других животных – это часы сегментации. Во время развития нашего эмбриона пространственные и временные сигналы интегрируются, чтобы сформировать определенное количество эмбриональных сегментов, которые позже дают начало соответствующим ребрам и позвонкам.Считалось, что лежащий в основе механизм работает как обычные часы, которые отсчитывают определенный период: один такт часов равен одному новому сегменту. Существует нечто, называемое волной экспрессии генов, которая распространяется от задней части к передней части животного (от кончика хвоста к голове). По мере того, как они это делают, эмбрион развивается, меняя свою форму, а ткань, в которой распространяются волны, укорачивается. Это приводит к относительному движению переднего конца (наблюдателя) ткани, где формируются новые сегменты, к заднему (источнику).Это движение наблюдателя в бегущие волны экспрессии генов приводит к эффекту Доплера в развивающемся эмбрионе. Поскольку это время, как упоминалось выше, определяет количество и размер сегментов тела, оно влияет на количество и размер развивающихся ребер и позвонков.

11. Звуковая штанга

Звуковой удар – это акустическое возмущение, вызванное сверхзвуковым потоком над поверхностью самолета. Сверхзвуковой поток создает прерывистую границу скачка уплотнения, который исходит от поверхности самолета, и ударная волна распространяется за ним с большим количеством энергии.

Эффект Доплера

– WikiLectures

(перенаправлено из эффекта Доплера)

послать

Спасибо за ваши Коментарии.

Спасибо за просмотр этой статьи.

Ваш отзыв не был вставлен (допускается один отзыв на статью в день)!

Эффект Доплера можно определить как наблюдаемое изменение частоты волны, когда наблюдатель и источник совершают относительное движение между ними.Другими словами, это увеличение или уменьшение частоты волн (например, звука или света) по мере того, как источник и наблюдатель движутся друг к другу или от него.

Это явление было названо в честь австрийского физика Кристиана Доплера, который предложил его в 1842 году, когда он работал в Пражском политехническом университете.

Понимание эффекта Доплера [править | править источник]

Что такое эффект Доплера – движущийся источник шума

Наблюдаемые изменения частоты, связанные с эффектом Доплера, можно объяснить следующим образом:

  • Когда источник движется к наблюдателю, каждая последующая волна излучается с позиции, более близкой к наблюдателю, чем предыдущая волна.Таким образом, при движении волны кажутся сгруппированными вместе, и время между прибытием последовательных гребней волн к наблюдателю сокращается (таким образом, уменьшается длина волны), вызывая увеличение частоты, поскольку скорость постоянна.
  • Однако, когда источник удаляется от наблюдателя, каждая волна излучается с позиции, более удаленной от наблюдателя, чем предыдущая волна, делая волны более распространенными, тем самым увеличивая длину волны и уменьшая частоту.Интересно отметить, что ни в одном из этих случаев частота звука всегда постоянна.

Когда источник движется, а наблюдатель неподвижен, можно использовать следующее уравнение.

, где

f – наблюдаемая частота, f 0 – фактическая частота, C – скорость волн в среде, Vs – скорость источника

Следует отметить, что Vs положительно, когда источник удаляется от наблюдателя, и отрицательно, когда источник движется к наблюдателю.


Таким же образом, когда источник неподвижен, а наблюдатель движется относительно него, уравнение выглядит следующим образом:

Символы обозначают те же величины, что и упомянутые выше, а Vo – скорость наблюдателя. В отличие от предыдущего, Vo положительно, когда наблюдатель движется к источнику, и отрицательно, когда он находится вдали от источника.

Когда и источник, и наблюдатель движутся относительно друг друга, эти уравнения могут быть объединены, чтобы сформировать уравнение ниже.

Астрономия [править | править источник]

Эффект Доплера используется для измерения скорости, с которой звезды и галактики приближаются или удаляются от нас, в механизме, называемом красным смещением или синим смещением. Красное смещение происходит, когда свет, исходящий от удаляющегося объекта, пропорционально увеличивается по длине волны или смещается к красному краю спектра. Обратное происходит с синим смещением. Поскольку синий свет имеет более высокую частоту, чем красный свет, спектральные линии приближающегося астрономического источника света демонстрируют синий сдвиг, а линии удаляющегося астрономического источника света демонстрируют красное смещение.

Медицинская визуализация [править | править источник]

В медицине эффект Доплера может использоваться для измерения направления и скорости кровотока в артериях и венах. Это используется в эхокардиограммах и медицинском ультразвуковом исследовании и является эффективным инструментом диагностики сосудистых проблем.

Радар [редактировать | править источник]

Эффект Доплера используется для измерения скорости обнаруженных объектов, когда луч радара направлен на движущуюся цель. Например, полиция использует радар для обнаружения движущегося автомобиля.Радиоволны излучают радар по движущемуся транспортному средству. Скорость рассчитывается с использованием разницы между излучаемой частотой и отраженной частотой.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *