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.
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
На этом графике по оси x представлено расстояние от машины скорой помощи до наблюдателя.
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
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.
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
| Адроны | msimagelist>|
| Альфа-распад | msimagelist>|
| Альфа-частица | msimagelist>|
| Аннигиляция | msimagelist>|
| Антивещество | msimagelist>|
| Антипротон | msimagelist>|
| Античастицы | msimagelist>|
| Атом | msimagelist>|
| Атомная единица массы | msimagelist>|
| Атомная электростанция | msimagelist>|
| Барионное число | msimagelist>|
| Барионы | msimagelist>|
| Бета-распад | msimagelist>|
| Бетатрон | msimagelist>|
| Бета-частицы | msimagelist>|
| Бозе – Эйнштейна статистика | msimagelist>|
| Бозоны | msimagelist>|
| Большой адронный коллайдер | |
| Большой Взрыв | msimagelist>|
Боттом. Боттомоний | msimagelist>|
| Брейта-Вигнера формула | msimagelist>|
| Быстрота | msimagelist>|
| Векторная доминантность | msimagelist>|
| Великое объединение | msimagelist>|
| Взаимодействие частиц | msimagelist>|
| Вильсона камера | msimagelist>|
| Виртуальные частицы | msimagelist>|
| Водорода атом | msimagelist>|
| Возбуждённые состояния ядер | msimagelist>|
| Волновая функция | msimagelist>|
| Волновое уравнение | msimagelist>|
| Волны де Бройля | msimagelist>|
| Встречные пучки | msimagelist>|
| Гамильтониан | msimagelist>|
| Гамма-излучение | msimagelist>|
| Гамма-квант | msimagelist>|
| Гамма-спектрометр | msimagelist>|
| Гамма-спектроскопия | msimagelist>|
| Гаусса распределение | msimagelist>|
| Гейгера счётчик | msimagelist>|
| Гигантский дипольный резонанс | msimagelist>|
| Гиперядра | msimagelist>|
| Глюоны | msimagelist>|
| Годоскоп | msimagelist>|
| Гравитационное взаимодействие | msimagelist>|
| Дейтрон | msimagelist>|
| Деление атомных ядер | msimagelist>|
| Детекторы частиц | msimagelist>|
| Дирака уравнение | msimagelist>|
| Дифракция частиц | msimagelist>|
| Доза излучения | msimagelist>|
| Дозиметр | msimagelist>|
| Доплера эффект | msimagelist>|
| Единая теория поля | msimagelist>|
| Зарядовое сопряжение | msimagelist>|
| Зеркальные ядра | msimagelist>|
| Избыток массы (дефект массы) | msimagelist>|
| Изобары | msimagelist>|
| Изомерия ядерная | msimagelist>|
| Изоспин | msimagelist>|
| Изоспиновый мультиплет | msimagelist>|
| Изотопов разделение | msimagelist>|
| Изотопы | msimagelist>|
| Ионизирующее излучение | msimagelist>|
| Искровая камера | msimagelist>|
| Квантовая механика | msimagelist>|
| Квантовая теория поля | msimagelist>|
| Квантовые операторы | msimagelist>|
| Квантовые числа | msimagelist>|
| Квантовый переход | msimagelist>|
| Квант света | msimagelist>|
| Кварк-глюонная плазма | msimagelist>|
| Кварки | msimagelist>|
| Коллайдер | msimagelist>|
| Комбинированная инверсия | msimagelist>|
| Комптона эффект | msimagelist>|
| Комптоновская длина волны | msimagelist>|
| Конверсия внутренняя | msimagelist>|
| Константы связи | msimagelist>|
| Конфайнмент | msimagelist>|
| Корпускулярно волновой дуализм | msimagelist>|
| Космические лучи | msimagelist>|
| Критическая масса | msimagelist>|
| Лептоны | msimagelist>|
| Линейные ускорители | msimagelist>|
| Лоренца преобразования | msimagelist>|
| Лоренца сила | msimagelist>|
| Магические ядра | msimagelist>|
| Магнитный дипольный момент ядра | msimagelist>|
| Магнитный спектрометр | msimagelist>|
| Максвелла уравнения | msimagelist>|
| Масса частицы | msimagelist>|
| Масс-спектрометр | msimagelist>|
| Массовое число | msimagelist>|
| Масштабная инвариантность | msimagelist>|
| Мезоны | msimagelist>|
| Мессбауэра эффект | msimagelist>|
| Меченые атомы | msimagelist>|
| Микротрон | msimagelist>|
| Нейтрино | msimagelist>|
| Нейтрон | msimagelist>|
| Нейтронная звезда | msimagelist>|
| Нейтронная физика | msimagelist>|
| Неопределённостей соотношения | msimagelist>|
| Нормы радиационной безопасности | msimagelist>|
| Нуклеосинтез | msimagelist>|
| Нуклид | msimagelist>|
| Нуклон | msimagelist>|
| Обращение времени | msimagelist>|
| Орбитальный момент | msimagelist>|
| Осциллятор | msimagelist>|
| Отбора правила | msimagelist>|
| Пар образование | msimagelist>|
| Период полураспада | msimagelist>|
| Планка постоянная | msimagelist>|
| Планка формула | msimagelist>|
| Позитрон | msimagelist>|
| Поляризация | msimagelist>|
| Поляризация вакуума | msimagelist>|
| Потенциальная яма | msimagelist>|
| Потенциальный барьер | msimagelist>|
| Принцип Паули | msimagelist>|
| Принцип суперпозиции | msimagelist>|
| Промежуточные W-, Z-бозоны | msimagelist>|
| Пропагатор | msimagelist>|
| Пропорциональный счётчик | msimagelist>|
| Пространственная инверсия | msimagelist>|
| Пространственная четность | msimagelist>|
| Протон | msimagelist>|
| Пуассона распределение | msimagelist>|
| Пузырьковая камера | msimagelist>|
| Радиационный фон | msimagelist>|
| Радиоактивность | msimagelist>|
| Радиоактивные семейства | msimagelist>|
| Радиометрия | msimagelist>|
| Расходимости | msimagelist>|
| Резерфорда опыт | msimagelist>|
| Резонансы (резонансные частицы) | msimagelist>|
| Реликтовое микроволновое излучение | msimagelist>|
| Светимость ускорителя | msimagelist>|
| Сечение эффективное | msimagelist>|
| Сильное взаимодействие | msimagelist>|
| Синтеза реакции | msimagelist>|
| Синхротрон | msimagelist>|
| Синхрофазотрон | msimagelist>|
| Синхроциклотрон | msimagelist>|
| Система единиц измерений | msimagelist>|
| Слабое взаимодействие | msimagelist>|
| Солнечные нейтрино | msimagelist>|
| Сохранения законы | msimagelist>|
| Спаривания эффект | msimagelist>|
| Спин | msimagelist>|
| Спин-орбитальное взаимодействие | msimagelist>|
| Спиральность | msimagelist>|
| Стандартная модель | msimagelist>|
| Статистика | msimagelist>|
| Странные частицы | msimagelist>|
| Струи адронные | msimagelist>|
| Субатомные частицы | msimagelist>|
| Суперсимметрия | msimagelist>|
| Сферическая система координат | msimagelist>|
| Тёмная материя | msimagelist>|
| Термоядерные реакции | msimagelist>|
| Термоядерный реактор | msimagelist>|
| Тормозное излучение | msimagelist>|
| Трансурановые элементы | msimagelist>|
| Трек | msimagelist>|
| Туннельный эффект | msimagelist>|
| Ускорители заряженных частиц | msimagelist>|
| Фазотрон | msimagelist>|
| Фейнмана диаграммы | msimagelist>|
| Фермионы | msimagelist>|
| Формфактор | msimagelist>|
| Фотон | msimagelist>|
| Фотоэффект | msimagelist>|
| Фундаментальная длина | msimagelist>|
| Хиггса бозон | msimagelist>|
| Цвет | msimagelist>|
| Цепные ядерные реакции | msimagelist>|
| Цикл CNO | msimagelist>|
| Циклические ускорители | msimagelist>|
| Циклотрон | msimagelist>|
Чарм. Чармоний | msimagelist>|
| Черенковский счётчик | msimagelist>|
| Черенковсое излучение | msimagelist>|
| Черные дыры | msimagelist>|
| Шредингера уравнение | msimagelist>|
| Электрический квадрупольный момент ядра | msimagelist>|
| Электромагнитное взаимодействие | msimagelist>|
| Электрон | msimagelist>|
| Электрослабое взаимодействие | msimagelist>|
| Элементарные частицы | msimagelist>|
| Ядерная физика | msimagelist>|
| Ядерная энергия | msimagelist>|
| Ядерные модели | msimagelist>|
| Ядерные реакции | msimagelist>|
| Ядерный взрыв | msimagelist>|
| Ядерный реактор | msimagelist>|
| Ядра энергия связи | msimagelist>|
| Ядро атомное | msimagelist>|
| Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) | msimagelist>
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 ДоплераВращающийся 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
| Главная » Статьи и полезные материалы » Телескопы » Статьи » Эффект Доплера Эффект Доплера можно заметить при движении наблюдателя относительно источника звука, и представляет собой изменение длины волны и частоты сигнала. Закон эффекта Доплера был открыт в 1803 году австрийским физиком Кристианом Доплером. Рассмотрим на основе примеров и простыми словами, что такое эффект Доплера, его суть и важность открытия. Эффект Доплера простыми словамиДля многих название «эффект Доплера» является незнакомым. На самом деле каждый человек постоянно сталкивается с ним в реальной жизни. Суть заключается в улавливании изменения тона звука при движении его источника относится неподвижного наблюдателя либо при движении наблюдателя относительно неподвижного источника звука. Например, при движении пожарной машины. Высота звука сирены пожарной машины меняется при ее приближении и отдалении. При приближении источника звука каждая звуковая волна поступает с более близкого расстояния, чем излучалась предыдущая. Поэтому уменьшается и время, за которое эта волна доходит до неподвижного наблюдателя. Следовательно, снижается и длина звуковой волны, что позволяет воспринимать звук, как более высокий. Это утверждение правдиво и в противоположном случае. При удалении источника звука от неподвижного наблюдателя волны движутся дольше, поэтому растет длина волны, что снижает высоту звука. Такой же эффект можно наблюдать при движении наблюдателю к неподвижному источнику звука. К примеру, если проезжать мимо стоящей машины с включенной сиреной. Каждая волна по мере приближения к источнику звука будет доходить быстрее. Другие примерыЭффект Доплера подтвержден для звука, но может использоваться в других областях. Одним из самых известных является радар Доплера, пучок волн которого направляется на объект в движении. Источник волн перемещается влево. Тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше). Другими словами, если источник волн догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается. 4glaza.ru Использование материала полностью для общедоступной публикации на носителях информации и любых форматов запрещено. Разрешено упоминание статьи с активной ссылкой на сайт www.4glaza.ru. Производитель оставляет за собой право вносить любые изменения в стоимость, модельный ряд и технические характеристики или прекращать производство изделия без предварительного уведомления.
Другие обзоры и статьи о телескопах и астрономии: Обзоры оптической техники и аксессуаров:
Статьи о телескопах. Как выбрать, настроить и провести первые наблюдения: Все об основах астрономии и «космических» объектах:
|
Если знать время, за которое пакет волн доходит до цели, можно рассчитать ее скорость. Самое простое и известное применение доплеровского радара является обнаружение автомобилей, которые едут со скоростью, превышающей установленную. Эффект Доплера также применяется в астрономии для вычисления скорости движения звезд, планет и других объектов нашей Галактики относится Земли, а также их направления.
ru)
ru)Астраномія. Астрафізіка і нябесная механіка
Альберт Эйнштейн(1879 – 1955) |
Среди важнейших для астрономических задач следствий из постулатов СТО следует выделить следующие: • преобразования Лоренца, • формулы для сложения скоростей, • эффект замедления времени, • эффект сокращения линейных размеров, • аберрацию света (см. раздел 2.6.2), • выражения для энергии и импульса релятивистской частицы, • эффект Доплера.
Хендрик Антон Лоренц(1853 – 1928) |
Кристиан Доплер(1803 – 1853) |
Эксперименты Майкельсона и Морли подтвердили справедливость постулата относительности. Для проверки независимости скорости света от движения источника измерялась, например, скорость фотонов, возникающих в результате распада π0-мезонов с энергией около 1 ГэВ (т. е. движущихся со скоростью, практически равной c). При этом скорость движущихся вперёд γ-квантов совпадала со скоростью света с погрешностью порядка 0.0001. Изменение частоты в релятивистском продольном эффекте Доплера также проверено экспериментально. Отклонение от теоретического предсказания составляет 10–7. Экспериментально наблюдался поперечный эффект Доплера, который связан с чисто релятивистским эффектом замедления времени. Эффект замедления времени проверен для скоростей вплоть до 0.995c. Полученный результат, включая зависимость времени жизни от v, согласуется с предсказаниями СТО. Соотношение E0 = mc2 для дефекта массы и выделяющейся в ядерных реакциях энергии проверено с погрешностью 0.01. Дополнительная литература: Ю.П. Овсепян. Некоторые особенности релятивистского доплер-эффекта Л.Б. Окунь. Формула Эйнштейна: E0 = mc2. «Не смеётся ли Господь Бог?» Е.Б. Александров, П.А. Александров, В.С. Запасский, В.Н. Корчуганов, А.И. Стирин. Измерение скорости света, испущенного ультрарелятивистским источником
Радар Raymarine Quantum 2 CHIRP с использованием эффекта Доплера Артикул: 17702
Разработанный для интеграции с отмеченными различными наградами многофункциональными дисплеями Raymarine Axiom®, радар Quantum 2 позволяет морякам точно оценивать ситуацию благодаря интеллектуальной идентификации движущихся и неподвижных целей как на большом, так и на малом расстоянии.
С помощью передовой технологии обработки, основанной на эффекте Доплера, Quantum 2 выявляет сдвиг частоты сигнала, отраженного от движущихся целей в сравнении с неподвижными.
После обнаружения движущихся объектов Quantum 2 представляет приближающиеся цели красным цветом, а отдаляющиеся — зеленым.
Кроме того, Quantum 2 имеет новую функцию безопасного сектора, которая выделяет цветом потенциально опасные неподвижные объекты на расстоянии 200 метров по курсу судна, помогая капитанам выявлять непосредственные угрозы для навигации.
Опытные пользователи и профессиональные капитаны оценят радиолокационный мини-автопрокладчик радара Quantum 2 на 25 целей (MARPA).
Разработанная первоначально для Службы береговой охраны США и других оперативных служб, функция MARPA радара Quantum 2 использует эффект Доплера, так что движущиеся встречным курсом объекты отображаются на дисплее радара автоматически.
В результате отпадает необходимость идентифицировать цели и определять зоны радиолокационного наблюдения вручную, что снижает нагрузку на капитана и упрощает навигацию на оживленных водных путях.
Радар Quantum 2 также поддерживает технологию сжатия импульса CHIRP: сжатые радиолокационные импульсы позволяют с непревзойденным разрешением и качеством разделения отображать такие цели, как суда, береговые ориентиры, скалы и атмосферные элементы.
Масса Quantum 2 составляет всего 12,3 фунта (5,6 кг) — это почти на 50 % меньше традиционных магнетронных радаров.
Quantum 2 можно подключать к многофункциональным дисплеям Raymarine с помощью Wi-Fi или традиционного кабельного соединения, что упрощает установку и позволяет отказаться от дополнительной прокладки кабелей или использования интерфейсных блоков.
Стационарные и переносные ультразвуковые расходомеры
Ультразвуковые расходомеры предназначены для измерения скорости и расхода различных жидких сред, в том числе содержащих твердые частицы или газовые пузырьки. Такими средами могут быть стоки, вода, химические материалы, кислоты, щёлочи, рассолы, суспензии, пульпы и вязкие жидкости в трубопроводах и открытых каналах.
Для определения скорости жидкости в расходомерах DFM 6.1, PDFM 5.1 и AVFM 6.1 используется эффект Доплера. Датчик расходомера, устанавливаемый на наружную часть трубы, излучает сигнал определенной частоты, направленный через ее стенку в поток жидкости. Этот сигнал отражается присутствующими в жидкости твёрдыми частицами или газовыми пузырьками. Частота отраженного сигнала отличается от исходной из-за движения жидкости, т.е. проявления эффекта Доплера. Контроллер расходомера измеряет сдвиг частоты и определяет значение скорости жидкости, которое используется для расчета расхода.
Расходомер TTFM 6.1 измеряет разницу во времени прохода ультразвуковых импульсов, передаваемых от одного датчика к другому. В зависимости от способа монтажа, сигнал может пересекать трубу один, два или четыре раза. Время между передаваемым и полученным сигналами точно измеряется расходомером. Ультразвуковые сигналы передаются сначала по направлению течения, а затем обратно против течения датчиков, чередующих свои функции как передатчик-приёмник. Сравнивая различия в скорости прохода импульсов по течению и против, TTFM 6.1 с высокой точностью рассчитывает расход.
Внимание: при выборе расходомера крайне важно учитывать относительную чистоту измеряемой среды. Так для расходомеров моделей DFM 6.1, PDFM 5.1 и AVFM 6.1 требуется наличие не менее 2 % твердых частиц (для обеспечения реализации эффекта Доплера). А для ультразвукового расходомера TTFM 6.1 наоборот – относительно чистая среда (менее 2 % твердых частиц или газовых пузырьков).
- Измерение скорости и расхода жидкостей (
- Измерение в широком диапазоне сред: вода, химические материалы, щёлочи, кислоты, рассолы, нефтепродукты и вязкие жидкости
- Имитация выходного токового сигнала пропорционально расходу
- Программируемые реле для приведения в действие внешнего дополнительного оборудования (сигнализации, дистанционных сумматоров, пробоотборников, дозаторов и т.п.)
- Даталоггер (128 Мб, ~26 миллионов точек) со сбросом данных на флеш-память USB
- Передача данных по протоколам Modbus® RTU или HART через RS-485 (опция)
- Измерение скорости или мгновенного и суммарного значений расхода различных жидкостей (приведенная погрешность ±2 %) в безнапорных трубопроводах круглого сечения при неполном заполнении поперечного сечения или открытых каналах
- Цифровая индикация, пропорциональный аналоговый выход
- Погружной датчик, устанавливаемый внутри трубы
- Питание от встроенного аккумулятора или от сети через ЗУ
- Встроенный даталоггер (300 000 отсчетов)
- Интерфейс USB и ПО “Greyline Logger” в комплекте
- Измерение скорости или мгновенного и суммарного значений расхода различных жидкостей (приведенная погрешность ±2%) в напорных трубопроводах круглого сечения при полном заполнении поперечного сечения
- Цифровая индикация, пропорциональный аналоговый выход
- Накладной датчик, устанавливаемый снаружи трубы
- Питание от встроенного аккумулятора или от сети через ЗУ
- Встроенный даталоггер (300 000 отсчетов)
- Интерфейс USB и ПО “Greyline Logger” в комплекте
- Измерение скорости или мгновенного и суммарного значений расхода различных жидкостей (приведенная погрешность 2%) в напорных трубопроводах круглого сечения при полном заполнении поперечного сечения
- Цифровая индикация, пропорциональный аналоговый выход
- Накладной датчик, устанавливаемый снаружи трубы
- Питание от сети 100…240 В или = 9…32 В
- Встроенный даталоггер и ПО “Greyline Logger”
- Связь по протоколам HART, Modbus RTU®
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 размера доплеровских сдвигов с течением времени. . Другими словами, характер доплеровских сдвигов звезды может меняться со временем в результате гравитации, влияющей на движение звезды. «Если это смещение велико, то оно должно быть вызвано притягиванием его другой звездой, но если это смещение невелико, то оно, вероятно, вызвано 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 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 радиолокационные лучи 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.
Что такое эффект Доплера?
Что такое эффект Доплера?Что такое эффект Доплера?
Когда волновая энергия, такая как звук или радиоволны, распространяется от двух объектов, длина волны может казаться измененным, если один или оба движутся. Это называется Эффект Допплера.
Эффект Доплера вызывает принимаемую частоту источника (как это воспринимается когда он добирается до места назначения), чтобы отличаться от отправленной частоты, если есть движение, которое увеличивает или уменьшает расстояние между источником и получатель.Этот эффект легко наблюдать как изменение высоты тона звука. звук между движущимся источником и неподвижным наблюдателем. Представьте себе звук гоночная машина мчится мимо, пронзительно завывая, а затем внезапно снижаясь. Врррм-ВРУМ. Высокий вой вызван уплотнением звуковых волн. когда автомобиль приближается к вам, VROOM с более низким уклоном появляется после того, как он проезжает мимо вас. и уносится прочь. Волны разошлись.
Рисунок из публикации Лаборатории реактивного движения НАСА: Основы космоса
Рабочая тетрадь летного курсанта.http://www-b.jpl.nasa.gov/basics/
Когда расстояние между источником и приемником электромагнитных волн остается постоянной, частота волн одинакова в обоих местах. Когда расстояние между источником и приемником электромагнитных волн увеличивается, частота принимаемых волновых форм ниже частоты источника форма волны. Когда расстояние уменьшается, частота принимаемой волны форма будет выше, чем форма волны источника.
Помимо звука и радиоволн, эффект Доплера также влияет на излучаемый свет. другими телами в космосе. Если тело в космосе «смещено в синий цвет», его световые волны уплотняются и приближаются к нам. Если это “красное смещение” световые волны разлетаются в стороны, и они удаляются от нас. Все остальные звезды, которые мы обнаружили, имеют “красное смещение”, что является одним из свидетельств того, что для теории о том, что Вселенная постоянно расширяется, возможно, от “большого хлопнуть.«
Как влияет ли отражение на радиоволны?
Что это частота?
Что такие радиоволны?
Что такое длина волны?
Как связаны ли частота и длина волны?
Что проблемы есть кроме шума?
Подробнее про радиоволны
Что Использует ли DS1 для связи радиочастоту?
Эффект Доплера | Астрономия
Задачи обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объясните, почему спектральные линии фотонов, которые мы наблюдаем от объекта, изменяются в результате движения объекта к нам или от нас.
- Опишите, как мы можем использовать эффект Доплера для определения того, как астрономические объекты движутся в пространстве
Последние два раздела познакомили вас со многими новыми концепциями, и мы надеемся, что благодаря им вы увидели, как проявилась одна важная идея.Астрономы могут узнать об элементах в звездах и галактиках, расшифровывая информацию в их спектральных линиях. Однако есть усложняющий фактор в том, чтобы научиться расшифровывать послание звездного света. Если звезда движется к нам или от нас, ее линии будут в немного другом месте спектра, чем у звезды в состоянии покоя. И большинство объектов во Вселенной действительно движутся относительно Солнца.
Движение влияет на волны
В 1842 году Кристиан Доплер впервые измерил влияние движения на волны, наняв группу музыкантов, чтобы они играли на открытом железнодорожном вагоне, когда он двигался по рельсам.Затем он применил то, что он узнал, ко всем волнам, включая свет, и указал, что если источник света приближается или удаляется от наблюдателя, световые волны будут, соответственно, более тесно сгущаться или распространяться. Общий принцип, известный теперь как эффект Доплера, показан на рисунке 1.
Рисунок 1: Эффект Доплера. (a) Источник S создает волны, пронумерованные гребни (1, 2, 3 и 4) омывают неподвижного наблюдателя. (b) Источник S теперь движется к наблюдателю A и от наблюдателя C.Пик волны 1 излучался, когда источник находился в позиции S 4 , пик 2 – в позиции S 2 и так далее. Наблюдатель A видит волны, сжатые этим движением, и видит голубое смещение (если волны легкие). Наблюдатель C видит волны, растянутые при движении, и видит красное смещение. Наблюдатель B, линия обзора которого перпендикулярна движению источника, не видит изменений в волнах (и чувствует себя обделенным).
На рисунке 1a источник света (S) покоится по отношению к наблюдателю.Источник испускает серию волн, гребни которых мы обозначили 1, 2, 3 и 4. Световые волны распространяются равномерно во всех направлениях, как рябь от брызг в пруду. Гребни разделены расстоянием λ, где λ – длина волны. Наблюдатель, который находится в направлении нижней части изображения, видит, как световые волны идут красиво и равномерно, на расстоянии одной длины волны друг от друга. Наблюдатели, находящиеся где-либо еще, увидят то же самое.
С другой стороны, если источник света движется относительно наблюдателя, как показано на рис. 2b, ситуация усложняется.Между тем, когда один гребень испускается и следующий готов к выходу, источник немного сдвинулся к нижней части страницы. С точки зрения наблюдателя A , это движение источника уменьшило расстояние между гребнями – он мог бы сказать, что он сжимает гребни вместе.
На рисунке 2b мы показываем ситуацию с точки зрения трех наблюдателей. Источник виден в четырех положениях: S 1 , S 2 , S 3 и S 4 , каждое из которых соответствует излучению одного гребня волны.Наблюдателю A кажется, что волны следуют друг за другом более близко, с уменьшенной длиной волны и, следовательно, с повышенной частотой. (Помните, что все световые волны движутся со скоростью света через пустое пространство, несмотря ни на что. Это означает, что движение не может влиять на скорость, а влияет только на длину волны и частоту. По мере уменьшения длины волны частота должна увеличиваться. Если волны короче, за каждую секунду сможет пройти больше.)
Ситуация иная для других наблюдателей.Давайте посмотрим на ситуацию с точки зрения наблюдателя C , расположенного напротив наблюдателя A на рисунке. Для нее источник удаляется от ее местонахождения. В результате волны не сжимаются, а вместо этого распространяются движением источника. Гребни прибывают с увеличенной длиной волны и уменьшенной частотой. Для наблюдателя B в направлении, перпендикулярном движению источника, никакого эффекта не наблюдается. Длина волны и частота остаются такими же, как в части (а) рисунка.
Из этой иллюстрации видно, что эффект Доплера возникает только при движении к наблюдателю или от него, движение, называемое радиальной скоростью. Боковое движение не дает такого эффекта. Наблюдатели между A и B заметили бы некоторое сокращение световых волн для той части движения источника, которая находится вдоль их луча зрения. Наблюдатели между B и C заметили бы удлинение световых волн вдоль их линии обзора.
Возможно, вы слышали эффект Доплера со звуковыми волнами. Когда к вам приближается свисток поезда или полицейская сирена, а затем удаляется, вы заметите уменьшение высоты звука (именно так человеческие чувства интерпретируют частоту звуковой волны) звуковых волн. По сравнению с волнами в состоянии покоя, они стали немного более частыми при приближении к вам на несколько менее частыми при удалении от вас.
Хороший пример такого изменения звука свистка поезда можно услышать в конце классической песни Beach Boys «Caroline, No» на их альбоме « Pet Sounds ».Чтобы услышать этот звук, посмотрите это видео на песню. Звук поезда начинается примерно в 2:20.
Сдвиг цвета
Когда источник волн приближается к вам, длина волны немного уменьшается. Если задействованные волны представляют собой видимый свет, то цвета света немного меняются. По мере уменьшения длины волны они смещаются к синему концу спектра: астрономы называют это синим смещением (так как конец спектра действительно фиолетовый, термин, вероятно, должен быть смещение фиолетового , но синий является более распространенным цветом).Когда источник удаляется от вас и длина волны становится длиннее, мы называем изменение цвета красным смещением на . Поскольку эффект Доплера впервые был использован в астрономии с видимым светом, термины «синее смещение» и «красное смещение» получили широкое распространение. Сегодня астрономы используют эти слова для описания изменений длин волн радиоволн или рентгеновских лучей так же комфортно, как они используют их для описания изменений в видимом свете.
Чем больше движение к нам или от нас, тем больше доплеровский сдвиг.Если относительное движение происходит полностью вдоль луча зрения, формула доплеровского сдвига света составляет
.[латекс] \ frac {\ Delta {\ lambda}} {{\ lambda}} = \ frac {v} {c} [/ latex]
, где λ – длина волны, излучаемая источником, Δλ – разница между λ и длиной волны, измеренной наблюдателем, c – скорость света, а v – относительная скорость наблюдателя и источника в Поле зрения. Переменная v считается положительной, если скорость спада, и отрицательной, если скорость приближения.Решая это уравнение для скорости, находим v = c × Δλ / λ.
Если звезда приближается к нам или удаляется от нас, длины волн света в ее непрерывном спектре кажутся соответственно сокращенными или удлиненными, как и длины темных линий. Однако, если ее скорость не составляет десятков тысяч километров в секунду, звезда не выглядит заметно синее или краснее, чем обычно. Таким образом, доплеровский сдвиг нелегко обнаружить в непрерывном спектре и не может быть точно измерен в таком спектре.Однако длины волн линий поглощения можно точно измерить, а их доплеровский сдвиг относительно просто обнаружить.
Эффект Доплера
Мы можем использовать уравнение эффекта Доплера для вычисления радиальной скорости объекта, если мы знаем три вещи: скорость света, исходную (несмещенную) длину волны излучаемого света и разницу между длиной волны излучаемого света и длиной волны. длина волны, которую мы наблюдаем. Для конкретных линий поглощения или излучения мы обычно точно знаем, какую длину волны имеет линия в наших лабораториях на Земле, где источник света не движется.Мы можем измерить новую длину волны с помощью наших инструментов на телескопе, и поэтому мы знаем разницу в длинах волн из-за доплеровского сдвига. Поскольку скорость света – универсальная постоянная, мы можем вычислить лучевую скорость звезды.
Пример 1: Эффект Доплера
Определенная линия излучения водорода изначально излучается с длиной волны 656,3 нм из газового облака. {8} \ text {m / s} \ right) \ left (\ frac {0.{\ text {-9}} \ text {m}} \ right) = 60 000 \ text {m / s.} [/ latex]
Его скорость 60 000 м / с.
Теперь вы можете спросить: если все звезды движутся и движение изменяет длину волны каждой спектральной линии, не станет ли это катастрофой для астрономов, пытающихся выяснить, какие элементы присутствуют в звездах? В конце концов, именно точная длина волны (или цвет) сообщает астрономам, какие линии какому элементу принадлежат. И сначала мы измеряем эти длины волн в контейнерах с газом в наших лабораториях, которые не движутся.Если каждая линия в спектре звезды теперь сдвигается из-за своего движения на другую длину волны (цвет), как мы можем быть уверены, какие линии и какие элементы мы смотрим в звезде, скорость которой нам неизвестна?
Мужайтесь. Эта ситуация звучит хуже, чем есть на самом деле. Астрономы редко судят о наличии элемента в астрономическом объекте по одной линии. Именно узор из линий, уникальных для водорода или кальция, позволяет нам определить, что эти элементы являются частью наблюдаемой звезды или галактики.Эффект Доплера не изменяет узор линий от данного элемента – он лишь слегка сдвигает весь узор в сторону более красных или голубых длин волн. Сдвинутый узор все еще довольно легко распознать. Лучше всего то, что когда мы распознаем узор знакомого элемента, мы получаем бонус: величина смещения узора может позволить нам определить скорость объектов на линии прямой видимости.
Подготовка астрономов включает в себя много работы по обучению декодированию света (и другого электромагнитного излучения).Искусный «декодер» может узнать температуру звезды, какие элементы в ней и даже ее скорость в направлении к нам или от нас. Это действительно впечатляющий объем информации для звезд, находящихся на расстоянии световых лет.
ключевые концепции и краткое описание
Если атом движется к нам, когда электрон меняет орбиты и образует спектральную линию, мы видим, что эта линия слегка смещена в сторону синего цвета от его нормальной длины волны в спектре. Если атом удаляется, мы видим, что линия смещается в красную сторону.Этот сдвиг известен как эффект Доплера и может использоваться для измерения лучевых скоростей удаленных объектов.
Глоссарий
Эффект Доплера: кажущееся изменение длины волны или частоты излучения источника из-за его относительного движения от или к наблюдателю
лучевая скорость: движение к наблюдателю или от него; составляющая относительной скорости, лежащая на луче зрения
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 высота или частота сирены меняются.
В 1842 году Кристиан Доплер предположил, что звуковые частоты меняются относительно наблюдателя, когда они исходят от движущегося источника 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 -й авеню и 34 -й улицы и ждете, когда изменится свет, 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 уменьшается 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 данном 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, составляет 30 миль / ч или 13.4112 м / с
Vs , скорость источника, составляет 28 миль / ч, или 12,51712 м / с
ƒ ≈ 755 Гц
Заключение
Кажется, что звуковые волны сжимаются или удлиняются при движении источник звука. При движении вперед волны впереди кажутся сжимающимися, а волны сзади кажутся 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.
Что такое эффект Доплера?
Эффект Доплера или доплеровский сдвиг возникает, когда движение наблюдателя относительно источника (или наоборот) вызывает изменение длины волны или частоты. Обнаруженный австрийским физиком Кристианом Доплером в 1803 году, это явление проявляется по-разному, например, когда скорая помощь проезжает мимо, и вы слышите слышимое изменение высоты звука.Используя программное обеспечение COMSOL Multiphysics®, вы можете моделировать эффект Доплера для акустических приложений.
Первоначальная версия этого поста была написана Александрой Фоули и опубликована 15 июля 2013 года. С тех пор в нее были внесены дополнительные детали, анимация и обновленная версия представленной модели.
Объяснение эффекта Доплера
Один из наиболее распространенных способов, которыми мы ощущаем эффект Доплера в действии, – это изменение высоты звука, вызванное либо движущимся источником звука вокруг неподвижного наблюдателя, либо движущимся наблюдателем вокруг неподвижного источника звука.Когда источник звука неподвижен, звук, который мы слышим, имеет ту же высоту, что и звук, исходящий от источника звука.
Звуковые волны, распространяющиеся от стационарного источника звука в однородном потоке (соответствует источнику, движущемуся с постоянной скоростью).
Когда источник звука движется, звук, который мы воспринимаем, изменяется. Возвращаясь к примеру с машиной скорой помощи, когда скорая помощь проезжает мимо нас, сирена звучит иначе, чем если бы мы стояли рядом с ней.Движущаяся скорая помощь имеет разный шаг по мере приближения, когда она ближе всего к нам, когда она проезжает мимо нас и уезжает.
По мере того, как скорая помощь приближается к нам, каждая следующая звуковая волна излучается с более близкого расстояния, чем предыдущая волна. Из-за этого изменения положения каждой звуковой волне требуется меньше времени, чтобы достичь нас, чем предыдущей. Таким образом, расстояние между гребнями волн (длина волны) уменьшается, а это означает, что воспринимаемая частота волны увеличивается, и звук воспринимается как более высокий.И наоборот, когда источник звука удаляется, волны излучаются все дальше и дальше от источника. Это создает увеличенную длину волны, пониженную воспринимаемую частоту и более низкий тон.
Ситуация полностью повторяется, когда мы проезжаем мимо сирены припаркованной машины скорой помощи. В этом случае наблюдатели (мы) движутся к источнику (сирене), а звуковые волны достигают нас все ближе и ближе по мере нашего движения.
Визуализация другого примера эффекта Доплера
Другой пример эффекта Доплера, который легко визуализировать, связан с волнами на поверхности воды.Например, жук лежит на поверхности лужи. Когда жук неподвижен, он двигает ногами, чтобы оставаться на плаву. Эти возмущения распространяются наружу от жучка сферическими волнами.
Когда жук начинает двигаться по воде, поток воды вокруг жука меняется. Волны кажутся ближе друг к другу, когда мы смотрим на жука, плывущего к нам (ууу!), И дальше друг от друга, когда он плывет (уф!). На анимации выше показан принцип для волн (ряби) на воде, которые движутся намного медленнее, чем скорость. звука.Более низкая скорость – вот почему в этом случае эффект Доплера можно увидеть невооруженным глазом.
Моделирование эффекта Доплера
Используя программное обеспечение COMSOL Multiphysics® и дополнительный модуль Acoustics Module, вы можете моделировать эффект Доплера и измерять изменение частоты источника, движущегося с определенной скоростью. Предположим, что воздух, окружающий источник звука (в данном случае машину скорой помощи), движется со скоростью V = 50 м / с в отрицательном направлении z .Мы также предполагаем, что наблюдатель звука стоит на расстоянии 1 м от машины скорой помощи, когда она проезжает мимо. На рисунке ниже мы можем видеть изменение давления по мере того, как скорая помощь приближается и проходит мимо наблюдателя.
На этом графике расстояние от машины скорой помощи до наблюдателя представлено на оси x . Сплошная линия представляет давление, воспринимаемое наблюдателем приближающейся машины скорой помощи, а пунктирная линия показывает давление по мере удаления машины скорой помощи.
На этом графике мы можем видеть, как амплитуда волны (или давления) падает быстрее, когда скорая помощь удаляется от наблюдателя, чем когда она приближается. Изменение амплитуды волны показывает, насколько тише становится сирена по мере удаления машины скорой помощи. Скорость, с которой уровень звука уменьшается по мере удаления машины скорой помощи, намного выше, чем скорость, с которой звук становится громче по мере приближения машины скорой помощи (как показано на графике выше).
Чтобы взглянуть на этот эффект по-другому, мы можем визуализировать уровень звукового давления вокруг источника звука (помните, что источник фактически движется в положительном направлении z ).
Уровень звукового давления вокруг источника звука представлен цветами и контурными линиями. Вы можете видеть, как самый внешний контур проходит от внутренней части физического домена до идеально согласованного слоя, показывая, что звук ниже источника, чем над ним.
Другие примеры эффекта Доплера
Эффект Доплера проявляется во многих других явлениях. Одним из распространенных примеров является доплеровский радар, в котором луч радара направлен на движущуюся цель.Время, необходимое лучу, чтобы отразиться от цели и вернуться к передатчику, может предоставить информацию о скорости цели. Доплеровский радар используется полицией для определения людей, которые едут со скоростью, превышающей установленную.
Эффект Доплера также используется в области астрономии для определения направления и скорости движения звезды, планеты или галактики по сравнению с Землей. Измеряя изменение цвета электромагнитных волн, называемое красным или синим смещением, астроном может определить радиальную скорость небесного тела.Если вы заметили звезду, которая кажется красной, это значит, что она довольно далеко от Земли – и это видимый знак того, что Вселенная расширяется!
Другие приложения, использующие эффект Доплера, включают метеорологические прогнозы, сонар, медицинскую визуализацию, измерение кровотока и спутниковую связь.
Следующие шаги
Нажмите кнопку ниже, чтобы попробовать имитировать эффект Доплера. Вы сможете скачать MPH-файл для примера, представленного в этом сообщении в блоге.
Дополнительные ресурсы
Эффект Доплера
Внезапное изменение высоты звука автомобильного гудка, когда машина проезжает (движение источника), или шага громкоговорителя на тротуаре, когда вы проезжаете в своей машине (движение наблюдателя), впервые было объяснено в 1842 году Кристианом Допплером.Его эффект Доплера – это сдвиг частоты и длины волны волн, который возникает в результате движения источника относительно среды, приемника, движущегося относительно среды, или даже движущейся среды.
Воспринимаемая частота ( f ´) связана с фактической частотой ( f 0 ) и относительными скоростями источника ( v s ), наблюдателя ( v o ), и скорость ( v ) волн в среде на
$$ f ‘= f_O \ biggl (\ frac {v \ pm v_o} {v \ pm v_s} \ biggr) $$Выбор использования знака плюс (+) или минус (-) осуществляется в соответствии с соглашением о том, что если относительное движение источника и наблюдателя таково, что они перемещаются на в направлении друг к другу, воспринимаемая частота ( f ´) на больше, чем фактическая частота на ( f 0 ).Аналогично, если относительное движение источника и наблюдателя таково, что они перемещаются на от друг от друга, воспринимаемая частота ( f ´) на ниже на , чем фактическая частота ( f 0 ).
Хотя эффект Доплера был впервые обнаружен для звуковых волн, он справедлив для всех типов волн, включая световые и другие электромагнитные волны (хотя для электромагнитных волн – из-за теории или теории относительности Эйнштейна – имеет значение только относительная скорость, и неважно, источник или наблюдатель движется).Эффект Доплера для световых волн обычно описывается с точки зрения цветов, а не частоты. Красный сдвиг возникает, когда источник и наблюдатель удаляются друг от друга, а синий сдвиг происходит, когда источник и наблюдатель движутся друг к другу. Красный сдвиг света от далеких галактик – доказательство того, что Вселенная расширяется.
Анимация ниже иллюстрирует это явление для движущегося источника звуковых волн и неподвижного наблюдателя.
эффект Доплера «Эйнштейн-Онлайн
Как движение влияет на волны или другие виды постоянно повторяющихся сигналов в классической физике и специальной теории относительности.
Статья Маркуса Песселя
Частота волнового сигнала, такого как звук или свет, зависит от движения отправителя и получателя. Это известно как эффект Доплера . Некоторые из его проявлений мы знаем из повседневной жизни, например, сирена пожарной машины, резко меняющая тон при проезде двигателя; другие представляют интерес для астрономии и астрофизики.Цель этого обзора – подробнее рассмотреть, что такое эффект Доплера.
Отправлено и получено импульсов
Мы начнем с очень простой настройки, которую вы можете увидеть на следующей анимации. Справа, нарисованный красным, изображен отправитель, который излучает импульсы в регулярной последовательности. Слева – трубка, нарисованная синим цветом. Сами импульсы нарисованы красным, и все они движутся с одинаковой скоростью справа налево. Каждый раз, когда отправитель излучает новый импульс, индикатор мигает один раз.Точно так же мигающий свет указывает, когда импульс достиг приемника:
Если вы сначала наблюдаете за индикатором на детекторе, а затем за миганием индикатора на приемнике, вы можете убедиться, что они оба мигают с одинаковым ритмом, другими словами: время между излучением двух последовательных импульсов такое же, как и время время между приемом двух таких импульсов.
Другими словами, то же самое утверждение: частота, с которой излучаются импульсы – количество импульсов, излучаемых за определенный период времени, например за одну секунду – совпадает с частотой, с которой они принимаются.
Импульсы от приближающегося источника
Теперь давайте посмотрим на несколько иную ситуацию, когда источник движется к детектору. Мы предполагаем, что движение отправителя не влияет на скорость, с которой распространяются импульсы, и что импульсы отправляются с той же частотой, что и раньше. Тем не менее, как мы видим на следующей анимации, движение влияет на последовательность импульсов:
Расстояние между последовательными импульсами теперь меньше, чем когда и отправитель, и получатель находились в состоянии покоя.Следовательно, импульсы поступают в приемник быстрее. Если мы сравним частоту, с которой мигают индикаторы на приемнике и отправителе, мы обнаружим, что индикатор на приемнике мигает быстрее.
Более конкретно, в этой ситуации отправитель движется влево со скоростью, равной трети скорости импульсов. За время, необходимое для отправки от отправителя двух импульсов, до получателя дошло три импульса. Другими словами: частота, с которой принимаются импульсы, составляет 3/2 = 1.В 5 раз больше частоты, с которой они излучаются. Частота сместилась – вот почему эффект Доплера часто называют смещением Доплера .
Как это произошло? Вернемся к случаю неподвижного отправителя. Вот снимок отправителя, излучающего один импульс:
По прошествии некоторого интервала времени T отправитель излучает второй импульс, как показано здесь. Тем временем первый импульс переместится на расстояние d влево:
Расстояние d определяет время, за которое два последовательных импульса достигают приемника.Все импульсы распространяются с одинаковой скоростью, а время между двумя приходами – это просто время, которое требуется второму импульсу, чтобы преодолеть расстояние d. Чем больше d, тем больше времени пройдет между приходом двух последовательных импульсов. Чем больше расстояние между двумя последовательными импульсами, тем ниже частота поступления импульсов – если импульсы разделены большим расстоянием, только сравнительно небольшое их количество достигнет приемника за заданное время.
Пока все хорошо.Но что, если отправитель движется? Опять же, вот снимок движущегося источника, излучающего один импульс:
По прошествии того же временного интервала T отправитель излучает второй импульс. Тем временем первый импульс снова переместился на расстояние d влево. Но в данном случае сдвинулось не только это. Сам отправитель переместился влево на определенное расстояние D, как показано здесь:
Из-за движения отправителя расстояние между двумя последовательными импульсами в этом случае не d, а d-D.Но когда расстояние между последовательными импульсами меньше, временной интервал, который проходит между их приходом на детектор, также меньше или, другими словами, частота, с которой импульсы приходят на детектор, выше!
Это наш первый пример эффекта Доплера: когда отправитель движется к получателю, частота, с которой импульсы достигают получателя, выше, чем частота, с которой они излучаются отправителем.
Источник удаляется от приемника
Что делать, если источник движется не к приемнику, а от него? Эта ситуация показана на следующей анимации:
На этот раз световой индикатор получателя мигает немного медленнее, чем у отправителя – частота, с которой принимаются импульсы, немного ниже, чем та, с которой они отправляются.Точнее, источник движется вправо со скоростью, равной одной трети скорости, с которой импульсы движутся влево. В то же время, когда отправляются четыре импульса, принимаются три импульса.
Это легко понять так же, как и раньше. Вот еще раз снимок источника, излучающего один конкретный импульс:
По истечении времени T издается второй импульс. За это время первый импульс еще раз прошел расстояние d. Но кроме того, источник переместился вправо на расстояние D:
Таким образом, расстояние между двумя последовательными импульсами теперь на больше , чем для неподвижного источника – это d + D, а не просто d.Но большее расстояние означает, что импульсы поступают на приемник реже . Это наш второй пример эффекта Доплера: когда отправитель удаляется от получателя, частота, с которой импульсы достигают получателя, ниже, чем частота, с которой они излучаются отправителем.
От импульсов к волнам
Теперь представьте, что вместо отдельных импульсов наш отправитель излучает простую волну – движущуюся форму, максимумы и минимумы (гребни и впадины) некоторой физической величины, следующие друг за другом с идеальной регулярностью и распространяющиеся с некоторой постоянной скоростью в пространстве:
Например, наш отправитель может излучать звуковую волну, в которой гребни и впадины волны соответствуют областям максимального или минимального давления воздуха соответственно.Такая звуковая волна будет распространяться по воздуху с постоянной скоростью, скоростью звука. В качестве альтернативы наш отправитель может излучать электромагнитную волну, где гребни и впадины соответствуют положениям максимального или минимального значения более абстрактной физической величины, электрического или магнитного поля. Одним из примеров такого электромагнитного поля может быть обычный свет.
Одним из ключевых выводов является то, что все аргументы, которые мы сделали относительно излучения импульсов, применимы также и к излучению последующих гребней (или впадин) волн.Например, если источник движется к приемнику, он будет излучать гребень каждой волны несколько ближе к своему непосредственному предшественнику, чем если бы источник находился в покое. Это подводит нас к более распространенной версии эффекта Доплера, той, которая говорит о волнах: если источник волны движется к приемнику, частота, с которой волны принимаются, выше, чем частота, с которой они отправляются. вне. И наоборот, если источник удаляется, частота приема волн ниже.
Что касается звуковых волн, многие читатели лично знакомы с этим явлением. Для этих волн более высокая частота соответствует более высокому тону, более низкая частота – более низкому тону. Предположим, вы стоите возле дороги, по которой проезжает пожарная или полицейская машина. Когда машина приближается к вам, затем проезжает мимо и, наконец, удаляется от вас, вы можете отчетливо слышать, как звук ее сирены сначала повышается, а затем резко падает.
Воспроизвести [MP3, 258 kB], Скачать [ZIP, 184kB]
Для простых световых волн частота зависит от цвета.Самая низкая возможная частота видимого света соответствует красноватому свету. Когда мы переходим к более высоким частотам, мы пересекаем видимый спектр от красного к желтому, зеленому, синему и фиолетовому, как показано здесь:
Свет от источника, движущегося к наблюдателю, будет смещен в сторону более высоких частот или, что то же самое, в сторону сине-фиолетового конца спектра. Следовательно, такие сдвиги в сторону более высоких частот обычно называются синими сдвигами. И наоборот, свет от источника, удаляющегося от наблюдателя, называется красным смещением.
Эта терминология применяется гораздо шире, чем просто к видимому свету – в общем, сдвиги в сторону более высоких частот называются синими сдвигами, сдвиги в сторону более низких частот – красным сдвигами, даже для волн, которые вообще не связаны с какими-либо цветами, например радиоволны или гравитационные волны.
Доплеровский сдвиг в двух измерениях
До сих пор мы исследовали только импульсы (или, в более широком смысле, волны), излучаемые в одном определенном направлении. Чтобы лучше понять эффект Доплера, весьма поучительно посмотреть на сигналы или волны, излучаемые во всех направлениях одновременно.Однако в целях иллюстрации давайте ограничимся двумя измерениями и рассмотрим волну, излучаемую в плоскости, как показано на этой анимации:
Например, источником (красным) может быть кто-то, парящий над озером и периодически перемещающий поршень вверх и вниз в воде. Расширяющиеся красные кольца тогда будут гребнями водных волн, распространяющихся по поверхности озера. В качестве альтернативы источником может быть источник света, излучающий свет во всех направлениях.В этом случае ярко-красные линии могут быть максимумами электромагнитных волн. Для источника, излучающего звуковые волны, красные кольца могут быть зонами максимального давления воздуха.
Следующая анимация показывает, что происходит, когда источник не находится в состоянии покоя, а движется (опять же, на одну треть скорости волны) влево:
Очевидно, что центр каждого нового кругового гребня теперь находится немного левее своего предшественника. В результате мы можем видеть сразу все грани эффекта Доплера: гребни, движущиеся прямо влево, сгруппированы, что соответствует более высокой частоте волны.Наблюдатель, принимающий эти волны, увидит источник, движущийся к нему, и заметит соответствующее синее смещение волн. И наоборот, гребни, движущиеся прямо вправо, дальше друг от друга, что соответствует красному смещению, наблюдаемому любым, кто видит, что источник движется прямо от него самого. С другой стороны, наблюдатель сбоку (прямо вверх или прямо вниз, на картинке), который не видит, как источник движется ни к себе, ни от нее, не будет сообщать о каком-либо сдвиге частоты.
Что делать, если источник движется так же быстро, как и сами сигналы? В этом случае сигналы впереди сгруппируются и все будут приходить на приемник одновременно. Опять же, вариант этого будет частью опыта многих читателей: звуковой удар создается именно таким образом, когда самолет достигает (а затем превышает) скорость звука. Сама штанга представляет собой именно такой набор «сгруппированных» звуковых волн.
Что делать, если приемник движется?
В предыдущих параграфах мы рассмотрели только движущиеся источники.Фактически, более пристальный взгляд на случаи, когда движется приемник, покажет, что такое движение приводит к очень похожему эффекту Доплера. Вот анимация движения приемника к источнику:
Наблюдая за двумя световыми индикаторами, вы можете сами убедиться, что снова появляется синий сдвиг – частота импульсов, измеренная на приемнике, несколько выше, чем частота, с которой отправляются импульсы. На этот раз расстояния между последующими импульсами не изменяются, но все же наблюдается сдвиг частоты: по мере того, как приемник приближается к каждому импульсу, время до встречи импульса и приемника сокращается.
В этой конкретной анимации, в которой приемник движется к источнику со скоростью, равной одной трети скорости самих импульсов, четыре импульса принимаются за время, необходимое источнику для излучения трех импульсов.
Аналогичным образом, когда приемник удаляется от источника, каждый импульс должен пройти немного большее расстояние, чем его предшественник, чтобы достичь приемника. Результат можно увидеть на этой анимации:
И снова приемник движется со скоростью, равной одной трети импульсов, на этот раз от источника.За время, необходимое источнику для излучения трех импульсов, только два импульса достигают приемника – частота импульсов в приемнике «смещается» до 66,67 процентов от исходной частоты импульсов в источнике.
Эффект Доплера в специальной теории относительности
Все наши доводы до сих пор основывались на классической физике. Если принять во внимание специальную теорию относительности, появляется дополнительный эффект: замедление времени. Предположим, что наблюдатель на приемнике – один из стандартных наблюдателей специальной теории относительности: инерционный наблюдатель (например, наблюдатель, свободно плавающий в космосе вдали от всех значительных источников гравитации).Для такого наблюдателя все, что происходит с источником, движущимся к нему или к ней, будет казаться замедленным. В частности, такой наблюдатель обнаружит, что импульсы посылаются с меньшей скоростью, чем измеренная наблюдателем, который находится в состоянии покоя относительно источника.
И наоборот, если мы введем инерциального наблюдателя, покоящегося относительно источника, и позволим ему наблюдать движущийся приемник, то такой наблюдатель обнаружит, что часы приемника (которые используются для измерения скорости поступления импульсов в приемник) равны работает медленно, по сравнению с его собственным.
Если принять во внимание замедление времени, результатом будет релятивистский эффект Доплера . Это комбинация классического эффекта Доплера, проиллюстрированного приведенными выше анимациями, и специального релятивистского замедления времени. Эта комбинация эффектов имеет два важных последствия.
Релятивистский эффект Доплера и относительность движения
Если вы внимательно следили за анимированными примерами, вы могли заметить, что эффекты различаются, когда источник находится в движении и когда движется приемник.Например, когда источник приближается к приемнику на одной трети скорости импульсов, частота импульсов в приемнике была в 1,5 раза выше, чем у источника – за тот же период времени потребовалось два новых импульса для излучения от источника. , на приемник поступило бы три импульса. С другой стороны, когда приемник двигался к источнику, частота импульсов в приемнике была всего в 1,33 раза больше, чем у источника – четыре импульса приходили на каждые три отправленных.
Для импульсов или волн, распространяющихся в среде, например звуковых волн в воздухе, легко определить, что движется относительно среды, источник или приемник.Но как насчет электромагнитных волн, таких как свет? Как выяснили физики, они не связаны со средой. Их распространение напрямую регулируется физическим законом, а точнее уравнениями Максвелла. Различается ли эффект Доплера для света в зависимости от того, движется ли источник или приемник?
Если бы это было так, у нас был бы способ определить абсолютное движение – мы могли бы определить, используя только законы физики (точнее, распространения света), находится ли источник, приемник или любой другой объект в покое. или нет.Это резко контрастирует с основными принципами специальной теории относительности, которые утверждают, что абсолютного движения не существует и что физические законы не позволяют нам определить состояние абсолютного покоя.
Решение? Как указывалось выше, релятивистский эффект Доплера отличается от своего классического аналога. Он учитывает релятивистское замедление времени. Оказывается, замедление времени и классический эффект Доплера сочетаются совершенно правильным образом, чтобы устранить разницу между движением источника и приемника.Как и следовало ожидать, релятивистский эффект Доплера зависит только от относительного движения источника и приемника .
Поперечный эффект Доплера
Специальная теория относительности добавляет еще один поворот к эффекту Доплера. В классической физике эффект Доплера будет только тогда, когда хотя бы какая-то составляющая движения приемника и источника уносит их либо навстречу, либо от друг друга. В специальной теории относительности эффект Доплера – это нечто большее.
Представьте, что вы наблюдаете движущийся источник.Источник не движется ни от вас, ни к вам – он движется ровно вбок (или, иначе говоря, движется точно под прямым углом к направлению, в котором вы его наблюдаете):
Вы все еще найдете доплеровский сдвиг. Частота любой волны, которую источник посылает вам, будет ниже, чем если бы источник находился в состоянии покоя.
Почему это? Помните, что релятивистский эффект Доплера представляет собой комбинацию классического эффекта Доплера и замедления времени.