Эффект Доплера (также Доплеровский сдвиг ) — это изменение частоты волны по отношению к наблюдателю, который движется относительно источника волны. [1] [2] [3] Эффект Доплера назван в честь физика Кристиана Доплера , который описал это явление в 1842 году. Типичным примером Доплеровского сдвига является изменение высоты тона, слышимое, когда автомобиль, издающий звуковой сигнал, приближается к наблюдателю и удаляется от него. По сравнению с излучаемой частотой, принимаемая частота выше во время приближения, одинакова в момент проезда и ниже во время удаления. [4]
Когда источник звуковой волны движется к наблюдателю, каждый последующий цикл волны испускается из позиции, более близкой к наблюдателю, чем предыдущий цикл. [4] [5] Таким образом, с точки зрения наблюдателя, время между циклами сокращается, что означает увеличение частоты. И наоборот, если источник звуковой волны движется от наблюдателя, каждый цикл волны испускается из позиции, более дальней от наблюдателя, чем предыдущий цикл, поэтому время прибытия между последовательными циклами увеличивается, тем самым уменьшая частоту.
Для волн, распространяющихся в среде, таких как звуковые волны, скорость наблюдателя и источника относительна к среде, в которой передаются волны. [3] Таким образом, полный эффект Доплера в таких случаях может быть результатом движения источника, движения наблюдателя, движения среды или любой их комбинации. Для волн, распространяющихся в вакууме , как это возможно для электромагнитных волн или гравитационных волн , необходимо учитывать только разницу в скорости между наблюдателем и источником.
Доплер впервые предложил этот эффект в 1842 году в своем трактате « О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд небес». [6] Гипотеза была проверена для звуковых волн Бюйсом Балло в 1845 году . [стр. 1] Он подтвердил, что высота звука была выше излучаемой частоты, когда источник звука приближался к нему, и ниже излучаемой частоты, когда источник звука удалялся от него. Ипполит Физо независимо открыл то же самое явление на электромагнитных волнах в 1848 году (во Франции эффект иногда называют «эффектом Допплера-Физо», но это название не было принято остальным миром, поскольку открытие Физо произошло через шесть лет после предложения Допплера). [стр. 2] [7] В Великобритании Джон Скотт Рассел провел экспериментальное исследование эффекта Допплера (1848). [стр 3]
В классической физике, где скорости источника и приемника относительно среды ниже скорости волн в среде, соотношение между наблюдаемой частотой и излучаемой частотой определяется выражением: [8] где
Обратите внимание, что это соотношение предсказывает, что частота будет уменьшаться, если один из источников или приемников удаляется друг от друга.
Эквивалентно, при условии, что источник либо приближается, либо удаляется от наблюдателя: где
Если источник приближается к наблюдателю под углом (но все еще с постоянной скоростью), наблюдаемая частота, которая слышится первой, выше, чем излучаемая частота объекта. После этого наблюдается монотонное уменьшение наблюдаемой частоты по мере приближения к наблюдателю, через равенство, когда она исходит из направления, перпендикулярного относительному движению (и была излучена в точке наибольшего сближения; но когда волна получена, источник и наблюдатель больше не будут находиться на самом близком расстоянии), и непрерывное монотонное уменьшение по мере удаления от наблюдателя. Когда наблюдатель находится очень близко к траектории объекта, переход от высокой к низкой частоте очень резкий. Когда наблюдатель находится далеко от траектории объекта, переход от высокой к низкой частоте постепенный.
Если скорости и малы по сравнению со скоростью волны, то соотношение между наблюдаемой частотой и излучаемой частотой приблизительно равно [8]
где
Данный
мы делим на
Так как мы можем заменить, используя разложение ряда Тейлора , усекая все и более высокие члены:
Предполагая неподвижного наблюдателя и движущийся к наблюдателю источник волны со скоростью волны (или превышающей ее), уравнение Доплера предсказывает бесконечную (или отрицательную) частоту с точки зрения наблюдателя. Таким образом, уравнение Доплера неприменимо для таких случаев. Если волна является звуковой волной, а источник звука движется быстрее скорости звука, результирующая ударная волна создает звуковой удар .
Лорд Рэлей предсказал следующий эффект в своей классической книге о звуке: если наблюдатель движется от (стационарного) источника со скоростью, вдвое превышающей скорость звука, музыкальное произведение, ранее изданное этим источником, будет слышно в правильном темпе и высоте звука, но как будто проигрывается в обратном направлении . [9]
Сирена проезжающего автомобиля экстренной помощи начнет звучать выше своего стационарного тона, снизится по мере прохождения и продолжит звучать ниже своего стационарного тона по мере удаления от наблюдателя. Астроном Джон Добсон объяснил этот эффект следующим образом:
Причина, по которой сирена звенит, в том, что она вас не задевает.
Другими словами, если сирена приближается к наблюдателю напрямую, высота тона останется постоянной, выше стационарной, пока транспортное средство не столкнется с ним, а затем немедленно перейдет на новую более низкую высоту тона. Поскольку транспортное средство проезжает мимо наблюдателя, радиальная скорость не остается постоянной, а вместо этого изменяется как функция угла между его линией зрения и скоростью сирены: где - угол между поступательной скоростью объекта и линией зрения от объекта к наблюдателю.
Эффект Доплера для электромагнитных волн, таких как свет, широко используется в астрономии для измерения скорости, с которой звезды и галактики приближаются или удаляются от нас, что приводит к так называемому синему смещению или красному смещению соответственно. Это может быть использовано для определения того, является ли, по-видимому, одиночная звезда на самом деле тесной двойной , для измерения скорости вращения звезд и галактик или для обнаружения экзопланет . Этот эффект обычно происходит в очень малых масштабах; невооруженным глазом не будет заметной разницы в видимом свете. [10] Использование эффекта Доплера в астрономии зависит от знания точных частот дискретных линий в спектрах звезд.
Среди ближайших звезд наибольшие лучевые скорости относительно Солнца составляют +308 км/с (BD-15°4041, также известная как LHS 52, 81,7 световых лет от нас) и −260 км/с (Woolley 9722, также известная как Wolf 1106 и LHS 64, 78,2 световых года от нас). Положительная лучевая скорость означает, что звезда удаляется от Солнца, отрицательная — что приближается.
Красное смещение также используется для измерения расширения Вселенной . Иногда утверждается, что это не совсем эффект Доплера, а результат расширения пространства. [11] Однако эта картина может ввести в заблуждение, поскольку расширение пространства — это всего лишь математическая условность, соответствующая выбору координат . [12] Наиболее естественная интерпретация космологического красного смещения заключается в том, что это действительно доплеровский сдвиг. [13]
Далекие галактики также демонстрируют пекулярное движение, отличное от их космологических скоростей разбегания. Если красные смещения используются для определения расстояний в соответствии с законом Хаббла , то эти пекулярные движения приводят к искажениям пространства красного смещения . [14]
Эффект Доплера используется в некоторых типах радаров для измерения скорости обнаруженных объектов. Луч радара выстреливается в движущуюся цель — например, автомобиль, поскольку полиция использует радар для обнаружения превышающих скорость автомобилистов — по мере того, как он приближается или удаляется от источника радара. Каждая последующая волна радара должна пройти большее расстояние, чтобы достичь автомобиля, прежде чем отразиться и повторно обнаружиться вблизи источника. По мере того, как каждая волна должна пройти большее расстояние, зазор между каждой волной увеличивается, увеличивая длину волны. В некоторых ситуациях луч радара выстреливается в движущийся автомобиль по мере его приближения, в этом случае каждая последующая волна проходит меньшее расстояние, уменьшая длину волны. В любой ситуации расчеты с использованием эффекта Доплера точно определяют скорость автомобиля. Более того, бесконтактный взрыватель , разработанный во время Второй мировой войны, использует доплеровский радар для подрыва взрывчатых веществ в нужное время, на нужной высоте, расстоянии и т. д. [ необходима цитата ]
Поскольку доплеровский сдвиг влияет как на волну, падающую на цель, так и на волну, отраженную обратно к радару, изменение частоты, наблюдаемое радаром из-за цели, движущейся с относительной скоростью, в два раза больше, чем изменение частоты от той же цели, испускающей волну: [15]
Эхокардиограмма может, в определенных пределах, производить точную оценку направления кровотока и скорости крови и сердечной ткани в любой произвольной точке, используя эффект Доплера. Одним из ограничений является то, что ультразвуковой луч должен быть максимально параллелен кровотоку. Измерения скорости позволяют оценивать области и функции сердечных клапанов, аномальные сообщения между левой и правой сторонами сердца, утечку крови через клапаны (клапанная регургитация) и вычислять сердечный выброс . Контрастное ультразвуковое исследование с использованием контрастных веществ с микропузырьками, заполненными газом, может использоваться для улучшения скорости или других медицинских измерений, связанных с потоком. [16] [17]
Хотя «Допплер» стал синонимом «измерения скорости» в медицинской визуализации, во многих случаях измеряется не сдвиг частоты (допплеровский сдвиг) принятого сигнала, а сдвиг фазы ( когда поступает принятый сигнал). [стр. 4]
Измерения скорости кровотока также используются в других областях медицинской ультрасонографии , таких как акушерская ультрасонография и неврология . Измерение скорости кровотока в артериях и венах на основе эффекта Доплера является эффективным инструментом для диагностики сосудистых проблем, таких как стеноз . [18]
Такие приборы, как лазерный доплеровский велосиметр (LDV) и акустический доплеровский велосиметр (ADV), были разработаны для измерения скоростей в потоке жидкости. LDV испускает световой луч, а ADV испускает ультразвуковой акустический импульс и измеряет доплеровский сдвиг в длинах волн отражений от частиц, движущихся с потоком. Фактический поток вычисляется как функция скорости и фазы воды. Этот метод позволяет проводить неинтрузивные измерения потока с высокой точностью и высокой частотой.
Разработанный изначально для измерения скорости в медицинских приложениях (кровоток), ультразвуковой допплеровский велосиметр (UDV) может измерять в реальном времени полный профиль скорости практически в любых жидкостях, содержащих частицы во взвешенном состоянии, такие как пыль, пузырьки газа, эмульсии. Потоки могут быть пульсирующими, колебательными, ламинарными или турбулентными, стационарными или переходными. Этот метод полностью неинвазивный.
Смещение Доплера можно использовать для спутниковой навигации , например, в Transit и DORIS .
Доплеровский сдвиг также необходимо компенсировать в спутниковой связи . Быстро движущиеся спутники могут иметь доплеровский сдвиг в десятки килогерц относительно наземной станции. Скорость, а значит и величина эффекта Доплера, изменяется из-за кривизны Земли. Динамическая доплеровская компенсация, при которой частота сигнала постепенно изменяется во время передачи, используется, чтобы спутник получал сигнал постоянной частоты. [20] После того, как стало известно, что доплеровский сдвиг не учитывался до запуска зонда Гюйгенс миссии Кассини-Гюйгенс 2005 года , траектория зонда была изменена для приближения к Титану таким образом, чтобы его передачи проходили перпендикулярно направлению его движения относительно Кассини, что значительно уменьшило доплеровский сдвиг. [21]
Доплеровский сдвиг прямого пути можно оценить по следующей формуле: [22] где - скорость подвижной станции, - длина волны несущей, - угол места спутника, - направление движения относительно спутника.
Дополнительный доплеровский сдвиг, вызванный движением спутника, можно описать следующим образом: где — относительная скорость спутника.
Динамик Leslie , который чаще всего ассоциируется и используется в основном с известным органом Hammond , использует эффект Доплера, используя электродвигатель для вращения акустического рупора вокруг громкоговорителя, посылая его звук по кругу. Это приводит к тому, что ухо слушателя воспринимает быстро меняющиеся частоты ноты клавиатуры.
Лазерный доплеровский виброметр (ЛДВ) — это бесконтактный прибор для измерения вибрации. Лазерный луч от ЛДВ направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота вибрации извлекаются из доплеровского смещения частоты лазерного луча из-за движения поверхности.
Динамическое планирование пути в реальном времени в робототехнике для облегчения движения роботов в сложной среде с движущимися препятствиями часто использует эффект Доплера. [23] Такие приложения особенно часто используются в соревновательной робототехнике, где среда постоянно меняется, например, в робофутболе.
С 1968 года такие ученые, как Виктор Веселаго, размышляли о возможности обратного эффекта Доплера. Размер доплеровского сдвига зависит от показателя преломления среды, через которую проходит волна. Некоторые материалы способны к отрицательной рефракции , что должно приводить к доплеровскому сдвигу, который работает в направлении, противоположном обычному доплеровскому сдвигу. [24] Первый эксперимент, обнаруживший этот эффект, был проведен Найджелом Седдоном и Тревором Бирпарком в Бристоле , Великобритания , в 2003 году. [стр. 5] Позднее обратный доплеровский эффект был обнаружен в некоторых неоднородных материалах и предсказан внутри конуса Вавилова-Черенкова. [25]