课程设计多普勒效应及其应用

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1、物理系 物理学专业 近代物理课程论文 第 1 页 共 14 页 编号: 课程论文题 目 多普勒效应及其应用 指导教师 邹艳 学生姓名 王庆磊 专 业 09物理学 教学单位 德州学院物理系 （盖章） 二O 一二年 六月 五日摘 要本文首先以声音和激光的多普勒效应为例，对声波、光波及电磁波的多普勒效应原理进行详细阐述，并对目前各高校的多普勒效应实验进行总结和改进，详细介绍了多普勒效应在医学治疗、气象监控与预警、卫星通信和军事雷达测速与追踪等领域的具体应用，并以具体实例的形式介绍了多普勒效应对人类科学发展的重要影响。关键词：多普勒效应； 电磁波； 声波 ；光波AbstractWe take the

2、sound and the laser Doppler effect as an example, to the sound wave, the light wave and the electromagnetic wave .We carries on the detailed elaboration of Doppler effect principle, and carries on the summary and the improvement of Doppler effect experiment to the present various universities. We in

3、troduced in detail the Doppler effect in the medicine treatment, the meteorological monitoring and the early warning, the satellite communication and the military radar measurements and tracing applications. We introduced the Doppler effect by the concrete example form to show the important influenc

4、e to human science development .Key word: Doppler effect; Electromagnetic wave; Sound wave第一章 概述多普勒效应是多普勒于1842年在布拉格举行的皇家西米亚学会科学分会会议上提出的，用于解释双子星的子星和变星的颜色和大小受到星体沿视线方向运动的影响。多普勒效应的提出起先受到了大多人的批评和质疑，当时的科技水平使大多数人认为那只是一个荒谬的思想，然而人们通过声学中频率的变化第一次验证了多普勒效应原理的正确性。最常见的多普勒效应是声学的多普勒效应，即火车汽笛变频的实验，声学的验证试验相对较简便也更容易为人们所

5、接受，其后不久，俄罗斯科学家贝勒波尔斯基第一次用光学的方法验证了多普勒效应的正确性。现在，多普勒效应已经成为普遍认同并且开始广泛应用的规律。第二次世界大战期间，英国受于德国空军的困扰，首先应用了多普勒效应的原理研制发明了最早期的声学雷达，开始了航天领域的一次重大变革，并且影响至今。目前，多普勒效应技术在许多科学领域如工程技术和医疗诊断等各个方面都有着十分广泛的应用。如医学上用多普勒效应形成彩色血流显像系统，测量血流速度等。在天体物理可以利用谱线的多普勒增宽分析恒星大气，双星的特征等.多普勒效应的最大优越点就是能与许多学科交叉，各科的学者巧妙地用移植的方法进行创新、吸收甚至引入某一领域内的理论、

6、技术和方法来解决新难题。多普勒效应将越来越造福于我们的日常生活。本文将对多普勒效应的原理，应用和前景作相应的阐述。第二章 多普勒效应的原理 本章主要介绍了多普勒效应的原理，以下从早期雷达的应用和声波的多普勒效应两个方面进行阐述。2.1多普勒效应的发现及早期雷达应用 多普勒效应的正式提出是1842年在布拉格举行的皇家波西米亚学会科学分会会议上的论文论天体中双星和其他一些星体的彩色光。该论文的主要结论是：（1）如果一个物体发光，在沿观察者的视线方向以可与光速相比拟的速度趋近我们，或后退，那么这一运动必然导致光的颜色和强度的变化。（2）如果在另一方面一个发光物体静止不动。而代之以观察者直接朝向或者背

7、离物体非常快速的运动，那么所有的这些频率变化都会随之发生。（3）如果这一“趋向”和“背离”不是按照上述假定的那样，沿着原来视线的方向，而是与视线成一夹角的方向，那么除了颜色和光强的变化，星体的方向也要变化，这样一星体同时会在位置上发生明显变化。1论文首次发表出来因为没有足够的实验数据和理论依据，因此被很多人质疑和批评。1845年在荷兰进行的火车笛声实验验证了多普勒效应的正确性，多普勒效应才开始得到广泛重视并应用于实际。多普勒效益的第一次应用始于战争服务，第一次世界大战末期，军用飞机开始出现，英国由于国土面积小在遭遇空袭预警能力很弱，饱受了来自空中的洗劫。第二次世界大战前期，英国物理学家罗伯特沃

8、森-瓦特根据多普勒效应的原理研制出了最早期的雷达，在英国的东海岸建立了对空雷达警戒网，该雷达墙天线有100米高，能测到160千米以外的敌机，依靠这个雷达墙，英国总能及时准确的测出德国飞机的架数、航向、速度和抵达英国本土的时间，牢牢把握住了战争主动权，有效的降低了德国空军的杀伤力，在这场英国保卫战中扮演着不可替代的决定性的作用。2.2声波的多普勒效应1845年荷兰皇家气象学院院长布依斯巴洛敏感的听觉判断音乐的音调变化，然后音乐家和乐手对调位置，多次实验观察音调的变化，最终验证了多普勒效应在声学上的正确性。用下面图像可以表述为：图2-1 观察者和声源都运动 图2-2观察者运动而声源静止 图2-3观

9、察者静止，声源运动观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数，当波以速度v通过接收者时，时间t内通过的完全波的个数为Nvt因而单位时间内通过接收者的完全波的个数，即接收的频率 fv(1) 波源和观察者都相对于介质静止（）： （2-1）这时观测者听到的波源频率和波源实际频率相等。(2) 波源静止，观察者以速度相对于介质运动（）： （2-2）观测者接收到的频率大于波源实际频率(3) 观察者静止，波源以速度相对于介质运动（)观测者接收到的频率增加 (2-3)(4) 观察者以速度和波源以速度相对于介质运动（）： (2-4)观测者接收到的频率远远大于声波实际频率。 第三章 多普勒效应实

10、验 本章主要讲了多普勒效应实验，以下从激光多普勒效应实验和多普勒效应在医学上的应用两个方面进行阐述。 3.1 目前各大高校都在致力于多普勒效应的相关实验研究工作，主要还是围绕多普勒效应的声波、光波和电磁波原理和应用展开。下面分别就光学、声学和电磁学领域介绍具有代表性的多普勒效应实验。3.1.1激光多普勒效应实验3 当波源和接收器之间有相对运动时，接收器，收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。 (3-1)式中为声源发射频率，u为声速，式为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，为声源运动速率，为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角（1）若声源保持不动，运动物体上的接收器

11、沿声源与接收器连线方向以速度v运动，由 (3-2)得到 (3-3)（2）当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负 (3-4) 图3-1多普勒验证实验具体的实验操作步骤如下1. 检测室温，自动调谐频率2. 选中“多普勒效应验证实验”，并按“确认”；3. 确定测试总次数，点“开始测试”4. 准备好后，按“确认”，仪器自动记录小车移动速度及与频率；5. 通过改变砝码的数量实现小车速度由大到小的改变6. 完成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，对比小车速度与仪器检测速度，仪器自身频率与检测频率的变化就可以知道激光是否发生多普勒频移效应。 由于激光传播过程中具有很强的直线性，安装时必须保证发射器、小车和

12、接收器在同一水平线上。小车运动中遇到的阻力也在很大程度上影响小车速度，保持轨道有足够的平滑度是实验成功的关键。3.1.2 多普勒超声测速实验4 该实验通过该实验了解超声波多普勒效应测速原理与多普勒频移相关知识，以及掌握多普勒超声测速仪的原理与操作方法。 在无色散情况下，波在介质中的传播速度是恒定的，不会因波源运动而改变，也不会因观察者运动而改变。但当波源（或观察者）相对介质运动时，观察者所接收到的频率却可以改变。多普勒超声测速仪是一套综合性的超声测速仪器，该仪器利用多普勒频移效应实现对运动物体速度的测量，并可与光电方式测速进行比较。实验装置如图所示，电机与超声头固定于导轨上面，小车可以由电机牵

13、引沿导轨左右运动，超声发射头与接收头固定于导轨右端，若超声发射频率为接收回波频率为，超声波在静止介质中传播速度为v，取向右为正。图3-2多普勒超声测速实验 3.2多普勒效应在医学上的应用本节主要讲述了多普勒效应在医学上的应用，以下主要从全数字化彩色超声波诊断仪和乳腺癌多普勒超声诊断进展。3.2.1全数字化彩色超声波诊断仪基本原理：超声在人体内传播，由于人体各种组织有声学的特性差异，超声波在两种不同组织界面处产生反射、折射、散射、绕射、衰减以及声源与接收器相对运动产生多普勒频移等物理特性。应用不同类型的超声诊断仪，采用各种扫查方法，接收这些反射、散射信号，显示各种组织及其病变的形态，结合病理学、

14、临床医学，观察、分析、总结不同的反射规律，而对病变部位、性质和功能障碍程度作出诊断。 现阶段我国约一万五千多所县级医院，发展性能价格比高的中低档彩超来装备这类医院，将会对彩色多普勒诊断技术普及推广起很大的推动作用，其社会效益也是很显著的。手提便携式超声诊断仪因其灵活便捷的特点在社区医疗，床旁超声，急诊救护，战地诊疗等方面显示出极大的优越性，可弥补大型仪器体积大，移动不方便的弱点，便于危重或急症病人的诊断。5医学超声仪器已经在临床上得到了广泛的应用，但是，医学超声仪器的发展远还没有到达尽头，还有许多工作有待于工程技术人员和医生联合攻关去解决。在可以预见的未来，超声治疗技术可能还会有较大的进展全面

15、提高现有系统的性能为了满足临床诊断的需要，进一步全面提高系统的性能，包括探查深度、空间分辨率、成像速率等指标一直还是工程开发人员致力研究的目标。尽管由于超声在人体中传播时不可避免的存在声衰减、波束发散等问题,影响着系统性能指标的提高，但应该说，在现有基础上进一步提高这些性能指标还是有可能的。3.2.2乳腺癌多普勒超声诊断进展 乳腺癌是困扰女性的最常见的恶性肿瘤症状之一，早期发现对于病情的改善意义重大。3恶性肿瘤是指活跃的不受机体限制无限生长的细胞，能释放生长因子刺激产生新生血管，这些血管数目众多，积聚在肿瘤边缘，导致壁薄，缺乏基底膜和肌层，走行紊乱，迂曲，内径粗细不一，同时伴有官腔的狭窄和堵塞

16、，血管通透性增加，这种结构和功能的异质性往往累计整个血管树，出线许多症状，这些特点为乳腺癌多普勒仪提供了病理基础。CDFE（彩色多普勒血流成像）是采用直接显示红细胞运动速度的平均频移信号，同时也接收来自组织内部杂乱超声频移信号。由于信噪比较低，只能检测出较大血管即肿瘤血管的信息，而对于低速，低流量的新生微血管无能为力。另一方面，PDI通过检测多普勒频谱中幅度信号技术提高了对血流的敏感度，又由于他的无角度依赖型和混叠现象，信噪比相对很高，在检出低速血流信号方面展露头新。通过观察恶性肿瘤的血管数目，以超声图像上一幅断面所能探及的最多血管数目为依据，3条血管为临界线，可以对乳腺肿块的良恶性进行划分。

17、还有一种是根据血管的丰富程度将血流信号进行分级，病灶内少量或没有血流，血管管径1mm为良性。第三种以连续扫描4秒的彩色捕获像为基础，计算每平方厘米内血管数和彩色像素占总面积的百分比，用彩色像素平均密度与血管平均密度及血流速度结合可作为乳腺肿块血管的定量判断指标。 尽管乳腺良恶性肿瘤在血管形态学、血流动力学指标方面的变化为多普勒超声鉴别乳腺肿块性质、评估预后提供了依据，但无造影剂增强的多普勒超声对低流量低速的细小血管难以显示，不能提供肿瘤早期血管生成的信息，对少血供的乳腺癌容易漏诊，而且仪器及其调节也在很大程度上影响血管的显示。超声造影剂及现代超声检查技术在近十年来的飞速发展为乳腺肿瘤的诊断和鉴

18、别提供了更好的平台，超声造影后使用高频探头，多普勒超声可显示直径约80一140微米以上的血管，而灰阶显像则可反映直径加加40微米以下的小血管，在一定程度上克服了现有多普勒超声成像的局限，使超声对乳腺肿瘤血管生成的研究进入一个崭新的阶段。结论 本文以文献法和理论研究法，以多普勒效应为研究对象，得出以下三点结论（1）多普勒效应的发现和发展，给人类带来的突飞猛进的变革，尤其在军事应用方面表现更为突出，一方面多普勒效应引导了军事装备的发展和发展方向，另一方面进步的军事技术又促进了多普勒效应不断向更多领域得到更大的推广和应用。（2）从多普勒效应的被提出以来，人类开始逐步意识到并应用于对生产生活和综合国力

19、的改善，如6英国首次利用声纳技术将不可一世的海底幽灵德国潜艇几乎消灭殆尽，改变了世界战争格局。其后重点介绍了多普雷效应在各个领域的实际应用，任何科技成果，只有在真正的应用于实际之后才能显示它的魅力。（3）对于多普勒效应迅速发展阶段而言，还是依赖于近年来科学技术突飞猛进的发展和渗透，比如电子技术，数字技术的应用。历史证明，多普勒效应在探测未知领域方面表现卓越，人类在探索未知世界的过程中多普勒效应占据着举足重轻的地位，人类的发展始终离不开多普勒效应，必然成为科学发展的得力助手。致 谢近代物理课程设计的论文着手时间比较早，五月份邹老师就已经给了我们思路框架和写作时需要注意的细节，而且给予我很多的指导

20、。帮助我顺利地完成了论文，在此本人对邹老师表示由衷的感谢。参考文献1 特瑞恩著.王仕康等译.激光多普勒技术.北京：清华大学出版社，1985:245-2782 陈思平, 程敬之.中国生物医学工程学报, 1991：10-113 苏景顺，范虹光波多普勒效应的简单证明J物理与工程，2008，(3).2008，(3).4 李俊.基于多普勒速度声纳的水下航行器导航方法J.华中科技大学学报，2004，32(1):73-75. 5 Guy .Morris, Linda L. Harkness. Airborne Pulsed.Doppler Radar.Berlin:Springer, 19986 Kenneith A.Seeling.Reconfiguration.USA:IEEE, 1996