多普勒原理在超聲波流量測量領(lǐng)域的應(yīng)用

多普勒效應(yīng)是澳大利亞物理學(xué)家、數(shù)學(xué)家多普勒1842年首先從運(yùn)動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：

Christian J. Doppler

讓我們來首先了解一下多普勒效應(yīng)。在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車向某觀察者駛來時(shí)，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由低變高；當(dāng)火車遠(yuǎn)離時(shí)，聲調(diào)則由高變低。為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低。這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長因?yàn)楣庠春陀^測者的相對運(yùn)動而產(chǎn)生變化，在運(yùn)動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 ，在運(yùn)動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，頻率變得較低 ，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大，根據(jù)光波紅/藍(lán)移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測方向運(yùn)動的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運(yùn)動的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波?？茖W(xué)家Edwin Hubble使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論.他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處銀河系的光線頻率在變高,即移向光譜的紅端.這就是紅色多普勒頻移,或稱紅移.若銀河系正移向他,光線就成為藍(lán)移.。

　　在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車經(jīng)過某觀察者時(shí)，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高變低. 為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，它是用發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家.他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng).為了理解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時(shí)的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長縮短，好象波被壓縮了.因此，在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波的波長變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）/（u-vs）f ，其中vs為波源相對于介質(zhì)的速度，v0為觀察者相對于介質(zhì)的速度，f表示波源的固有頻率，u表示波在靜止介質(zhì)中的傳播速度. 當(dāng)觀察者朝波源運(yùn)動時(shí)，v0取正號；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動時(shí)，v0取負(fù)號. 當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動時(shí)vs前面取負(fù)號；前波源背離觀察者運(yùn)動時(shí)vs取正號. 從上式易知，當(dāng)觀察者與聲源相互靠近時(shí)，f1＞f；當(dāng)觀察者與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí),f1＜f　。

假設(shè)，超聲波波束與流體運(yùn)動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運(yùn)動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式． 如圖所示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運(yùn)動．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為

　　具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng). 因?yàn)榉▏锢韺W(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍(lán)移.

　　檢查機(jī)動車速度的雷達(dá)測速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度．裝有多普勒測速儀的警車有時(shí)就停在公路旁，在測速的同時(shí)把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上。

　　在臨床上，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler檢查儀，當(dāng)聲源或反射界面移動時(shí)，比如當(dāng)紅細(xì)胞流經(jīng)心臟大血管時(shí)，從其表面散射的聲音頻率發(fā)生改變，由這種頻率偏移可以知道血流的方向和速度，如紅細(xì)胞朝向探頭時(shí)，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細(xì)胞離開探頭時(shí)，反射的聲頻則降低。

　　20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光普紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度v與距地球的距離r成正比，即v=Hr,H為哈勃常數(shù).根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物。 因而1948年伽莫夫（G. Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。 20世紀(jì)60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的"標(biāo)準(zhǔn)模型" 。

　　多普勒-斐索效應(yīng)使人們對距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。 1868年，英國天文學(xué)家W. 哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出了46 km/s的速度值。

　　在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們在移動通信中要充分考慮"多普勒效應(yīng)"。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但在衛(wèi)星移動通信中，當(dāng)飛機(jī)移向衛(wèi)星時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離衛(wèi)星時(shí)，頻率變低，而且由于飛機(jī)的速度十分快，所以我們在衛(wèi)星移動通信中要充分考慮"多普勒效應(yīng)"。為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動通信的復(fù)雜性。