多普勒原理在超聲波流量測(cè)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(dòng)著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：

Christian J. Doppler

讓我們來(lái)首先了解一下多普勒效應(yīng)。在日常生活中，我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車(chē)向某觀(guān)察者駛來(lái)時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)火車(chē)汽笛的聲調(diào)由低變高；當(dāng)火車(chē)遠(yuǎn)離時(shí)，聲調(diào)則由高變低。為什么會(huì)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(dòng)頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就高；反之聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就低。這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)是指物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)楣庠春陀^(guān)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 ，在運(yùn)動(dòng)的波源后面，產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，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(guān)測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，恒星光譜線(xiàn)的位移顯示恒星循著觀(guān)測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度，這種現(xiàn)象稱(chēng)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(lèi)型的波,包括光波、電磁波。科學(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(xiàn)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(chēng)紅移.若銀河系正移向他,光線(xiàn)就成為藍(lán)移.。

　　在日常生活中，我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車(chē)經(jīng)過(guò)某觀(guān)察者時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)火車(chē)汽笛的聲調(diào)由高變低. 為什么會(huì)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(dòng)頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就高；反之聲調(diào)聽(tīng)起來(lái)就低.這種現(xiàn)象稱(chēng)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(chē)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(zhǎng)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(guān)察者為什么會(huì)感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車(chē)駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波的波長(zhǎng)變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽(tīng)起來(lái)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(duì)于介質(zhì)的速度，v0為觀(guān)察者相對(duì)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(guān)察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0取正號(hào)；當(dāng)觀(guān)察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0取負(fù)號(hào). 當(dāng)波源朝觀(guān)察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs前面取負(fù)號(hào)；前波源背離觀(guān)察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs取正號(hào). 從上式易知，當(dāng)觀(guān)察者與聲源相互靠近時(shí)，f1＞f；當(dāng)觀(guān)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(dòng)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(dòng)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(xiàn)上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營(yíng)軸線(xiàn)運(yùn)動(dòng)．對(duì)超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u(píng) 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(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱(chēng)為多普勒-斐索效應(yīng). 因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索（1819-1896）于1848年獨(dú)立地對(duì)來(lái)自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋?zhuān)赋隽死眠@種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)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(jué)到是顏色的變化. 如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線(xiàn)就向紅光方向移動(dòng)，稱(chēng)為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線(xiàn)就向紫光方向移動(dòng)，稱(chēng)為藍(lán)移.

　　檢查機(jī)動(dòng)車(chē)速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。交通警向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線(xiàn)，同時(shí)測(cè)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(chē)輛的速度．裝有多普勒測(cè)速儀的警車(chē)有時(shí)就停在公路旁，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(lái)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(dòng)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(kāi)探頭時(shí)，反射的聲頻則降低。

　　20世紀(jì)20年代，美國(guó)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(shí)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(lái)更多天體紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)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(lái)，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱(chēng)為宇宙的"標(biāo)準(zhǔn)模型" 。

　　多普勒-斐索效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)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(guó)天文學(xué)家W. 哈金斯用這種辦法測(cè)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(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)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?cè)谝苿?dòng)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(dòng)速度的局限，不可能會(huì)帶來(lái)十分大的頻率偏移，但在衛(wèi)星移動(dòng)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?cè)谛l(wèi)星移動(dòng)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(wèn)題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮。也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。