多普勒效应

多普勒效应（Doppler effect）是指在波源与接收器之间进行相对运动时，接收器接收到的频率与波源频率不同的现象。

多普勒效应是奥地利物理学家、数学家和天文学家多普勒（Christian Johann Doppler）在1842年偶然发现，他路过铁路交叉口，一列火车行驶而过，他发现火车由远而近，汽笛声调逐渐变尖，当火车由近而远，汽笛声调逐渐变低，于是他对此现象进行了研究，发现当声源远离观测者时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调变高，当观察者和波源相对移动时也能得到同样的结论。同年5月25日，多普勒在布拉格举行的皇家波希米亚学会科学分会会议上提交了一篇题为“论天体中双星和其他一些星体的彩色光（Ueberdas farbige Licht der Doppelsterne und einiger andererGestirne des Himmels）”的论文，在这篇论文里，正式提出了因波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象，后来人们称之为多普勒效应。

多普勒

在1845年，拜斯·巴洛特（Buys Ballot）对这个假设进行了声波测试，他证实，当声源接近他时，声音的音调高于发出的频率，而当声源远离他时，声音的音调低于从他身上发出的频率。后于1848年，伊波利特·斐索（Hippolyte Fizeau）在电磁波上独立发现了相同的现象（在法国，这种效应有时被称为“多普勒斐索效应”，但该名称并未被世界其他国家采用，因为斐索的发现是在多普勒提出的六年后）。

多普勒效应是指在波源与接收器之间进行相对运动时，接收器接收到的频率与波源频率不同的现象，如波源S在介质中的相对运动速度大小是

，观察者R在介质中的相对运动速度大小是

，波在介质中的传播速度大小是

，波源的频率是

（周期为

)，接收器接收的频率为

，是指单位时间内通过接收器的完整波长（即接收器检测的波速与波长之比）。

当波源与观察者相对介质处于静止时，接收器接收的频率即为波源的频率，其公式为：

（

为波长）。

当波源静止而观察者运动时，波源发出的波的波阵面是以波源为圆心的同心圆，当接收器以

的速度朝波源S运动时，同心圆的间距即为波长（公式为

），其运动方向正与波的传播方向相反，因此波相对接收器的速度为

，所以接收器接收的频率为：

。

波源静止而观察者运动时，波源发出的波是以波源为圆心的同心圆（图中耳朵为观察者）

当波源以

的速度向着静止的接收器运动时，波源与接收器之间的距离减小，越靠近观察者的一侧，波源发出的波的点阵面就越被压缩，接收器静止时所检测的波速为

，由于波源的运动，所以接收器检测的波长发生变化，在波源发出下一个波阵面时，波源向前移动的距离是

，其前一个等相面的移动距离是

，所以两个等相面之间的距离为

，此时接收器检测的波长为

，因此接收器接收的频率为

。

波源运动而观察者静止时，其波源发出的波越靠近观察者距离越短（图中耳朵为观察者）

当波源越观察者通同时运动时，由于波源运动时，接收器检测的波长为

，由于观察者运动，接收器检测的波速为

，因此接收器接收的频率为

。

1845年，皇家气象学院院长布依斯·巴洛特（Buys Ballot）在乌得勒支铁路上进行了2天的实验，他让一队小号乐手坐在机车的平板车厢上，让机车快速行驶，在由训练有素的音乐家用耳朵判断音调的变化，再让音乐家和小号乐手位置对调继续实验，2天的饰演，发现了管乐器音调的明显变化，验证了应用于声学时多普勒原理的正确性。

在1870年，塞奇（A. Secchi）提出了观测太阳光球东、西两侧来测定太阳旋转的方法，他在观测两侧谱线时也确实发现了光谱位置的差异，次年沃格耳（Vogel H C）使用分光镜展示的太阳两侧的光谱验证了这一方法，这与与太阳黑子确定的太阳转动速度接近，这是多普勒光学效应首次被观察所证实。之后，多位观测者用多普勒原理来验证太阳转动速度，考纽（A. Cornu）通过夫琅禾费D线位移测得的位移与预计值的差别在3%以内，1891年沃格耳将观测金星光谱片的谱线位移与已知轨道的结果相比较，证实了多普勒效应的正确性，随后多普勒原理成功应用于一些星体运动的研究中。

俄罗斯物理学家贝勒波尔斯基（Belepolsky A A）是第一个试图用光学方法验证多普勒原理的人，他制作了2个装有八片反射镜的像水轮机的用铝制作的轮子，每个轮子与2台直流电动机装在同一根轴上，两个轮子轴线平行但稍错开留光束射入和射出的空间，共使用4台发电机，在同一时刻转动时使镜面平行，调整螺丝使经过8对镜面的反射后的光束落在由铸铁作支撑底的摄谱仪上，整个装置装在坚固的木头桌子上。定日镜将阳光反射至仪器前的狭缝里，经过次反射光强下降很多，摄谱仪中的三个复合棱镜使波长为入=433nm的光处于最小偏向角位置，贝勒波尔斯基拍下了430一450nm间的光谱，成功地使像的运动速度达到了大约1km／s，与不运动时同一条夫琅禾费线的位置相比，证明了多普勒原理是可信的。1907年，加利津（Galitzin B）和威尔普（Wilip J）使用一个棱镜分光镜和迈克耳孙干涉仪重复了贝勒波尔斯基的实验，以汞灯为光源，利用其546.1nm和4358nm的谱线，测量了有效速度为250m/s，并使运动方向改变时产生的谱线移位的实验值与理论值的差别在10%以内；同一时期，斯塔克（Stark J）、帕邢（Paschen F）等人使用电子管阴极射线进行了实验，在1914一1919年期间，法布里（Fabry C）和布森（Buisson H）进行了一些用F一P标准具分辨多普勒位移的实验。

在医学上的应用以超声多普勒测血流最为广泛，为了检查心脏、血管的运动状态以及血液流动速度，可以通过发射超声来实现，由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就会产生多普勒效应；当血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，频率增加，血管离开声源运动时，反射波的波长变长，频率减少，由于反射波频率增加或减少的量与血液流动速度成正比，因此可根据超声波的频移量，测定血液的流速。

超声频移诊断法即D超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称为频移。D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。

彩色多普勒显像（CDFI），常简称为“彩超”又称C型成像，彩超的工作原理是：超声探头发射声束，对脏器进行扫描，每条扫描线发射多个脉冲（取样点），利用运动目标显示器，采用自相关技术，每个取样点运动产生的多普勒频移信号，输入彩色编码器，根据红迎蓝离的国际约定，将朝向探头的编码为红色，背离探头的编码为蓝色。并用色彩的明暗度来表示血流速度的快慢，然后把血流所显示出的彩色信号，叠加到二维灰阶图像上，即为彩色多普勒图像。

彩超检查

超声检查是临床最常用的影像学检查方法之一，具有无创、操作简便、图像清晰、实时显示等优点。超声检查技术可用于观察各脏器的解剖结构、内部质地、组织病变的形态改变等；可用于心脏舒缩、胆囊收缩、膀胱排空和胃肠蠕动等功能检测；可用于了解血流方向、速度和血流状态，测量血流动力学参数，观察器官组织正常或病变状态下的血流分布及灌注情况；可以在实时超声引导下行穿刺引流或置管、穿刺活检行细胞或组织病理学检查、实施肿瘤的介入治疗等。

激光多普勒测速仪（也称为激光测速计、激光流速计，简称LDV）利用激光多普勒效应测量流体或固体运动速度，基于散射光的多普勒频移获得速度信息，为了增强光强，需要在流体中悬浮适当尺寸和浓度的微粒，这些微粒通常能跟随流动，因此可以用它们的速度来代表流体速度，且LDV不会干扰流场，测速范围宽，速度与频率呈线性关系，精度较高。激光测速仪应用广泛，如管道内水流层流研究，层流过渡区速度分布的测量、瑞流测量、喷气流速度测量、旋涡测量、高分子化合物减阻测量等，它还可用于小区域和边界层测试、非牛顿型流体研究、气固、液固、气液二相流测量以及火焰流体力学研究。专用的激光测速仪可用于水洞、风洞、海流、船舶和航空测量。在工厂生产中，可用于测定铝板、钢板的轧制速度，固体粉末和天然气的输送速度，以及控制棉纱、纸张、人造纤维等的生产速度。

多普勒声纳（Doppler sonar）它是通过测量定位体，和相对于海底、海水或深海散射层的速度位移以及航偏角等数据来确定相对于起点的位置，在船上沿四个方向对大洋底部发射四束狭窄的高频(150~300千赫）声纳射束来测量船速，射束反射回到船上接收器时，船会相对于大洋底部运动，这些射束的频率会发生多普勒频移，每个射束的频移给出船速在那个方向的分量，分解这些分量就能推算出船的实际速度(结合回转罗盘上的方向数据），累计起来就可作出连续的航海位置图。

利用多普勒效应进行目标检测和信息提取的雷达称为多普勒雷达，分为连续波多普勒雷达和脉冲多普勒雷达。脉冲多普勒雷达通过对脉冲列信号进行频谱分析和滤波，测得目标的径向速度和距离，与一般时域监测的雷达不同，脉冲多普勒雷达是频域检测，利用目标回波信号的多普勒频移特点，能在强地杂波、海杂波中检测出微弱的运动目标信号。因此，脉冲多普勒雷达应用广泛，如机载火控雷达、预警雷达、低空防御雷达、舰载雷达、战场侦察雷达、火炮定位雷达、气象雷达、导弹导引头等。多普勒效应还可用于检测车辆超速，通过计算返回信号与原信号的比值来判断，此外，多普勒效应还广泛应用于气象预警、卫星通信等各个领域。

在振动测量方法的光学法中，其就利用了激光多普勒效应原理、光杠杆等原理，使得其具有不受电磁场干扰，测量精确度高，对质量小及不易安装传感器的试件作非接触测量。

多普勒效应可以应用在跟踪人造地球卫星的位置上，卫星会持续发射频率稳定的无线电讯号，卫星在趋近地面上的跟踪站和远离跟踪站时，地面跟踪站接收到的讯号频率是不同的，由此根据接收到的频率可测知卫星的位置。

利用多普勒原理检测卫星的位置

卫星多普勒导航系统（Doppler navigation system），是利用测量卫星信号多普勒频移进行定位的卫星导航系统。由于多普勒效应，卫星相对于定位体（如观测船）高速运行，使定位体接收到的卫星频率与卫星发射的频率之间相差一个多普勒频移值，它与卫星和定位体之间的距离变化率成正比，据此可用来确定定位体与卫星的相对位，例如子午仪系统就是一种卫星多普勒导航系统。

卫星在高速飞行过程中会产生多普勒效应，通信频率会有变化，只要调整一两次即可完成通信。

原子、分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽，称为多普勒增宽，由于多普勒效应，接收具有一定速度的运动原子光源的辐射频率时会产生辐射的多普勒频移效应，常用于天体物理和受控热核聚变实验装置中。光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

当观察者向光源移动时或者光源靠近观察者时，观察者接收的波长变短，产生的现象叫做多普勒蓝移；当观察者远离光源或者光源远离观察者时，观察者接收到的波长变长，产生的现象叫做多普勒红移，天文学根据这一现象通过望远镜观测遥远的天体，测量观测到的遥远星系的光谱，计算遥远星系和地球之间的相对运动关系。20世纪初，美国天文学家哈勃基于星系红移现象（被认为是缘于光的多普勒效应）得出哈勃定律。20世纪40年代伽莫夫从宇宙膨胀以及哈勃定律出发提出了宇宙大爆炸的假说。1968年，英国天文学家W.哈金斯首次应用多普勒效应的原理测量3天狼星的视向速度，并宣布它正远离地球。此后，各国天文学家对其他恒星乃至河外星系进行了大量类似的观测。结果发现，星系光谱有普遍多普勒红移现象。

电脑描绘的宇宙大爆炸

光波的多普勒效应在现代天文学与宇宙学中具有重要意义，天文学家们利用多普勒效应发现了宇宙红移现象，即所有天体都在远离地球，根据这一现象，天文学家们提出了著名的“宇宙大爆炸学说”和“暴涨理论”，即所有天体源于数百亿年前的一场大爆炸，并在爆炸的

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秒里膨胀了10万亿倍，宇宙也从起初的只是能量，跟随着不断的膨胀，能量逐渐转换成物质，物质形成了宇宙的主体，且大爆炸所产生的余威一直在继续，使形成的天体仍在不断地向从中心向四周飞散，宇宙也在不断地膨胀。

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