用多普勒效应测速的原理及应用论文

用多普勒效应测速的原理及应用

中文摘要：本论文的目的是介绍多普勒效应的测速原理以及在生活中的应用。通过查找资料并且思考的方法，分析和推导出多普勒效应的定义，原理。并且通过对日常生活的观察以及上网的搜索，了解了多普勒效应在日常生活的应用，包括声纳测速、雷达测速以及医学仪器的使用。本论文通过对多普勒效应原理的解说，一步步引导出测速的原理，进一步直观地解释其应用，从而真正解决了对多普勒效应测速的解答。

关键词：多普勒效应测速原理应用

论文：

一、多普勒效应

多普勒效应就是，当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。

二、多普勒测速原理

用波照射运动着的物体,运动物体反射或散射波,由于存在多普勒效应,反射或散射波将产生多普勒频移,利用产生频移的波与本振波进行混频再经过适当的电子电路处理即可得到运动物体的运动速度。我们假设多普勒测速仪静止,运动物体的运动速度为v,运动物体的运动方向与多普勒测速仪的测速方向在同一直线上，为了得到多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率与运动物体运动速度之间的关系,我们分两步进行讨论。

1、声波测速

第一步,多普勒测速仪发射声波,运动物体接收到其所发射的声波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,而运动物体作为波接收器以速度v运动.设多普勒测速仪所发射的声波频率为f,运动物体所接收到的声波频率为f′,声波的传播速度为v0,观测者相对于介质

的运动速度vr。可得：

第二步,运动物体反射或散射声波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的声波.在这个过程中,运动物体作为波源以速度v运动,而多普勒测速仪作为波接收器静止.设多普勒测速仪接收到的声波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或散射的声波频率为f′,于是可得：

代入可得：

即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的声波频率f、多普勒测速仪所接

收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率f″以及声波的传播速度v0之间的关系

2、光波测速

为了得到多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的光波频率与运动物体运动速度之间的关系,我们同样分两步进行讨论。

第一步,多普勒测速仪发射光波,运动物体接收到其所发射的光波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,运动物体作为波接收器是运动的,它们之间的相对速度为v.设多普勒测速仪所发射的光波频率为f,运动物体所接收到的光波频率为f′,光波的传播速度为c,则

可得：

第二步,运动物体反射或散射光波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的光波.在这个过程中,运动物体作为波源是运动的,多普勒测速仪作为波接收器静止不动,它们之间的相对速度仍为v.设多普勒测速仪接收到的光波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或

散射的光波频率为f′,于是可得即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的光波频率f、多普勒测速仪所接收的由于存在多普勒效应而频移的光波频率f′以及光波的传播速度c之间的关系。我们可以知道,多普勒测速仪只要把其所接收到的由于存在多普勒效应而频移的运动物体的反射或散射波与其所发射的本振波进行混频,再经过适当的电子电路处理即可快速测出运动物体的运动速度。

3、声波测速与光波测速比较

相同点:我们可以知道,利用多普勒效应,声波和光波都可以用来测量运动物体的运动速度,而且当多普勒测速仪的测速方向与运动物体的运动方向在同一直线上时,两者的被测物体的运动速度与波的频率之间的关系是一样的.声波测速特点:我们可以看出,由于声波的传播速度比较小,当v一定时,f″/f值比较大,因而其多普勒效应的结果是很明显的.但是声波在大气中传播时能量衰减快,传播距离小,而且声波的传播速度小,波长比较长,因而声波的反射或散射波不易精确接收和测量,所以声波测速的精度较差、测速距离小、测速范围窄、只能测量线度比较大的运动物体.在实际应用中一般只用超声波来测速.光波测速特点:由我们可以看出,由于光波的传播速度很大,当v一定时,f″/f值比较小,因而其多普勒效应的结果是不太明显的.但是,由于光波在大气中传播时,能量衰减小,方向性强,传播距离远,而且光波的传播速度很大,波长比较小,因而光波的反射或散射波容易精确接收和测量.所以光波测速的精度很高、测速距离远、测速范围宽、能测量线度大小不同的运动物体,比如利用激光测速不仅可以测量微小物体的运动速度,而且可测量的速度范围也很宽,低的可以测出每秒移动0.007厘米的速度,高的可以测出每秒移动几百米的速度。因此,在实际应用中一般用光波来测速.

三、多普勒效应的应用

1、多普勒声纳测速

多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种利用水下声波来测速的精密仪器。多普勒声纳一般安装在船体底部，由一个发射器和一个接收器组成。

2、雷达测速

公路上用于监测车辆速度的监测器就是利用上述原理制成的，速度监测器是由微波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成，同样可以通过发射器发射的微波频率和控测器

所接收到从汽车上反射的波的频率之间的微小差别，而产生的拍频率现象测出汽车的速度。

3.连续超声多普勒诊断仪

连续超声多普勒诊断仪通过发射与接收连续多普勒信号，来获得运动目标的信息。这类仪器结构简单，价格低廉，可用来观测心壁、瓣膜、胎体的运动状态这类仪器的测量也存在很的局限性。例如不能判断物体的运动方向，不能探测血流状态。由于没有深度分辨力，它也不能探测运动物体的深度，因此目前除用以胎儿的检测外，已很少在临床上使用。

4.连续超声多普勒血流计

利用连续超声多普勒血流计可以检测血流速度的大小与方向，尤其是在测量高速血流时连续式超声多普勒血流计有其独特的优势。此类仪器仍不能分辨探头和运动目标间的距离，测量结果受声束和运动方向夹角的影响较大，无法了解异常血流的产生部位。

四、参考文献

1、《大学物理》北京工业大学出版社

2、《多普勒声纳导航》金受琪人民交通出版社

3、百度图片百度百科

4、《科学》九年级(下)，华东师范大学出版社，ISBN 7-5617-3374-7/G·1802