[科普中國]-多普勒頻移

多普勒頻移（Doppler Shift）是指當(dāng)移動臺以恒定的速率沿某一方向移動時，由于傳播路程差的原因，會造成相位和頻率的變化，通常將這種變化稱為多普勒頻移。它揭示了波的屬性在運動中發(fā)生變化的規(guī)律。

在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 （藍(lán)移 blue shift）；當(dāng)運動在波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)，波長變得較長，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)念奧地利物理學(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因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍(lán)移blue shift）；在運動的波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，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，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。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為多普勒頻移。它揭示了波的屬性在運動中發(fā)生變化的規(guī)律。

多普勒頻移及信號幅度的變化等如圖2所示。當(dāng)火車迎面駛來時，鳴笛聲的波長被壓縮（如圖2右側(cè)波形變化所示），頻率變高，因而聲音聽起來尖利刺耳。當(dāng)火車遠(yuǎn)離時，聲音波長就被拉長（如圖2左側(cè)波形變化所示），頻率變低，從而使得聲音聽起來減緩且低沉。

這種現(xiàn)象也存在于其他類型的波中，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。對于電磁波，高速運動的物體上（例如高鐵）進行無線通信，會出現(xiàn)信號質(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)射了一個脈沖，那么在你之前的每一個脈沖都比你站立不動時更接近你自己。而在你后面的聲源則比原來不動時遠(yuǎn)了一步?；蛘哒f，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運動時，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)象稱為多普勒效應(yīng)，接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。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運動時，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，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，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)中的行進速度； 為接收端相對于介質(zhì)的移動速度，若接近發(fā)射源則前方運算符號為+號，反之則為?號； 為發(fā)射源相對于介質(zhì)的移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為?號，反之則為+號。3

當(dāng)移動臺以恒定的速率v在長度為d，端點為X和Y的路徑上運動時收到來自遠(yuǎn)端源S發(fā)出的信號，如圖3所示。

無線電波從源S出發(fā)，在X點與Y點分別被移動臺接收時所走的路徑差為：

由于路徑差造成的接收信號相位變化值為：

由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移為：

由此可知，多普勒頻移與移動臺運動速度及移動臺運動方向以及無線電波入射方向之間的夾角有關(guān)。若移動臺朝向入射波方向移動，則多普勒頻移為正，導(dǎo)致接收頻率上升。若移動臺背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負(fù)，接收頻率下降。信號經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬。4

應(yīng)用實例醫(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，也就是我們平常說的彩超。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒，首先說說超聲頻移診斷法，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）之間有相對運動時，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)進行多普勒信號處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號經(jīng)彩色編碼后實時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，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，又同時提供了血流動力學(xué)的豐富信息，實際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽為“非創(chuàng)傷性血管造影”。5

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

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

馬學(xué)彬 - 副教授 - 內(nèi)蒙古大學(xué)