[科普中國(guó)]-多普勒頻移

多普勒頻移（Doppler Shift）是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定的速率沿某一方向移動(dòng)時(shí)，由于傳播路程差的原因，會(huì)造成相位和頻率的變化，通常將這種變化稱(chēng)為多普勒頻移。它揭示了波的屬性在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生變化的規(guī)律。

在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 （藍(lán)移 blue shift）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 （紅移 red shift）。

相關(guān)概念多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)Doppler effect）是為紀(jì)念?yuàn)W地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運(yùn)動(dòng)的波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。1

多普勒頻移定義多普勒效應(yīng)造成的發(fā)射和接收的頻率之差稱(chēng)為多普勒頻移。它揭示了波的屬性在運(yùn)動(dòng)中發(fā)生變化的規(guī)律。

多普勒頻移及信號(hào)幅度的變化等如圖2所示。當(dāng)火車(chē)迎面駛來(lái)時(shí)，鳴笛聲的波長(zhǎng)被壓縮（如圖2右側(cè)波形變化所示），頻率變高，因而聲音聽(tīng)起來(lái)尖利刺耳。當(dāng)火車(chē)遠(yuǎn)離時(shí)，聲音波長(zhǎng)就被拉長(zhǎng)（如圖2左側(cè)波形變化所示），頻率變低，從而使得聲音聽(tīng)起來(lái)減緩且低沉。

這種現(xiàn)象也存在于其他類(lèi)型的波中，例如光波和電磁波?？茖W(xué)家們觀察發(fā)現(xiàn)，從外太空而來(lái)的光波，其頻率在不斷變低，既向頻率較低的紅色波段靠攏，這是光波遵從多普勒效應(yīng)從而引起多普勒頻移的例證。對(duì)于電磁波，高速運(yùn)動(dòng)的物體上（例如高鐵）進(jìn)行無(wú)線通信，會(huì)出現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量下降等現(xiàn)象，就是電磁波存在多普勒頻移現(xiàn)象的實(shí)例。2

原理如果把聲波視為有規(guī)律間隔發(fā)射的脈沖，可以想象若你每走一步，便發(fā)射了一個(gè)脈沖，那么在你之前的每一個(gè)脈沖都比你站立不動(dòng)時(shí)更接近你自己。而在你后面的聲源則比原來(lái)不動(dòng)時(shí)遠(yuǎn)了一步。或者說(shuō)，在你之前的脈沖頻率比平常變高，而在你之后的脈沖頻率比平常變低了。

所謂多普勒效應(yīng)就是當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱(chēng)為多普勒頻移。聲音的傳播也存在多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源與接收體之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體接收的聲波頻率 與聲源頻率 存在多普勒頻移 即為，

當(dāng)接收體與聲源相互靠近時(shí)，接收頻率 大于發(fā)射頻率 即： ；

當(dāng)接收體與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率 小于發(fā)射頻率 即： 。

公式可以證明若接收體與聲源相互靠近或相互遠(yuǎn)離的速度為v，聲速為c，則接收體接收聲波的多普勒頻率為，

f'= f·(c+-v1)/(c-+v2)

接收體和發(fā)射源的頻率關(guān)系為，

其中， 為接收到的頻率， 為發(fā)射源于該介質(zhì)中的原始發(fā)射頻率， 為波在該介質(zhì)中的行進(jìn)速度； 為接收端相對(duì)于介質(zhì)的移動(dòng)速度，若接近發(fā)射源則前方運(yùn)算符號(hào)為+號(hào)，反之則為?號(hào)； 為發(fā)射源相對(duì)于介質(zhì)的移動(dòng)速度，若接近觀察者則前方運(yùn)算符號(hào)為?號(hào)，反之則為+號(hào)。3

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以恒定的速率v在長(zhǎng)度為d，端點(diǎn)為X和Y的路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí)收到來(lái)自遠(yuǎn)端源S發(fā)出的信號(hào)，如圖3所示。

無(wú)線電波從源S出發(fā)，在X點(diǎn)與Y點(diǎn)分別被移動(dòng)臺(tái)接收時(shí)所走的路徑差為：

由于路徑差造成的接收信號(hào)相位變化值為：

由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移為：

由此可知，多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向以及無(wú)線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向移動(dòng)，則多普勒頻移為正，導(dǎo)致接收頻率上升。若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為負(fù)，接收頻率下降。信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。4

應(yīng)用實(shí)例醫(yī)療應(yīng)用聲波的多普勒效應(yīng)也可以用于醫(yī)學(xué)的診斷，也就是我們平常說(shuō)的彩超。彩超簡(jiǎn)單的說(shuō)就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先說(shuō)說(shuō)超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱(chēng)之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多普勒和彩色多普勒血流圖像。彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。由此可見(jiàn)，彩色多普勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。5

交通應(yīng)用交通警向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的超聲波同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車(chē)輛的速度。裝有多普勒測(cè)速儀的監(jiān)視器有時(shí)就裝在路的上方，在測(cè)速的同時(shí)把車(chē)輛牌號(hào)拍攝下來(lái)，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

馬學(xué)彬 - 副教授 - 內(nèi)蒙古大學(xué)