多普勒效應(yīng)是什么？超聲檢查要注意

多普勒效應(yīng)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：由于波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者遠(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。下面和家庭醫(yī)生在線小編一起來(lái)了解一下具體的情況吧。

多普勒頻移（Doppler Shift）

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)象稱為多普勒效應(yīng)，它是用發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒的名字命名的，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，好像波被壓縮了。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(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，好像波被拉伸了。 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)觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0取正號(hào)；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0取負(fù)號(hào)。 當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs前面取負(fù)號(hào)；前波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)vs取正號(hào)。 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'=（V-Vl）V/[（V-Vs）X]=（V-Vl）f/（V-Vs）rvp影像園XCTMR.co

所以得（1）當(dāng)觀察者和波源都不動(dòng)時(shí)，Vs=0，Vl=0，由上式得

（2）當(dāng)觀察者不動(dòng)，聲源接近觀察者時(shí)，觀察者接收到的頻率為

F=Vf/（V-Vs） 顯然此時(shí)頻率大于原來(lái)的頻率

由上面的式子可以得到多普勒效應(yīng)的所有表現(xiàn)。

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”。

原理

多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時(shí)沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、幾年后有人請(qǐng)一隊(duì)小號(hào)手在平板車(chē)上演奏，再請(qǐng)訓(xùn)練有素的音樂(lè)家用耳朵來(lái)辨別音調(diào)的變化，以驗(yàn)證該效應(yīng)。假設(shè)原有波源的波長(zhǎng)為λ，波速為c，觀察者移動(dòng)速度為v：

當(dāng)觀察者走近波源時(shí)觀察到的波源頻率為（c v）/λ，如果觀察者遠(yuǎn)離波源，則觀察到的波源頻率為（c-v）/λ。

一個(gè)常被使用的例子是火車(chē)的汽笛聲，當(dāng)火車(chē)接近觀察者時(shí)，其汽鳴聲會(huì)比平常更刺耳，你可以在火車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)聽(tīng)出刺耳聲的變化。同樣的情況還有：警車(chē)的警報(bào)聲和賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)聲。

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。

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，包括電磁波。科學(xué)家愛(ài)德文·哈勃（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)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開(kāi)銀河系的速度越快紅移越大，這說(shuō)明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系。反之，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。

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，所以在移動(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，但是這不可否認(rèn)地會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)影響，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。

在單色的情況下，我們的眼睛感知的顏色可以解釋為光波振動(dòng)的頻率，或者解釋為，在1秒鐘內(nèi)電磁場(chǎng)所交替為變化的次數(shù)。在可見(jiàn)區(qū)域，這種效率越低，就越趨向于紅色，頻率越高的，就趨向于藍(lán)色——紫色。比如，由氦——氖激光所產(chǎn)生的鮮紅色對(duì)應(yīng)的頻率為4.74×10^14赫茲，而汞燈的紫色對(duì)應(yīng)的頻率則在7×10^14赫茲以上。這個(gè)原則同樣適用于聲波：聲音的高低的感覺(jué)對(duì)應(yīng)于聲音對(duì)耳朵的鼓膜施加壓力的振動(dòng)頻率（高頻聲音尖厲，低頻聲音低沉）。

如果波源是固定不動(dòng)的，不動(dòng)的接收者所接收的波的振動(dòng)與波源發(fā)射的波的節(jié)奏相同：發(fā)射頻率等于接收頻率。如果波源相對(duì)于接收者來(lái)說(shuō)是移動(dòng)的，比如相互遠(yuǎn)離，那么情況就不一樣了。相對(duì)于接收者來(lái)說(shuō)，波源產(chǎn)生的兩個(gè)波峰之間的距離拉長(zhǎng)了，因此兩上波峰到達(dá)接收者所用的時(shí)間也變長(zhǎng)了。那么到達(dá)接收者時(shí)頻率降低，所感知的顏色向紅色移動(dòng)（如果波源向接收者靠近，情況則相反）。為了讓讀者對(duì)這個(gè)效應(yīng)的影響大小有個(gè)概念，在顯示了多普勒頻移，近似給出了一個(gè)正在遠(yuǎn)離的光源在相對(duì)速度變化時(shí)所接收到的頻率。例如，在上面提到的氦——氖激光的紅色譜線，當(dāng)波源的速度相當(dāng)于光速的一半時(shí)，接收到的頻率由4.74×10^14赫茲下降到4.74×10^14赫茲，這個(gè)數(shù)值大幅度地降移到紅外線的頻段。