課程設計-多普勒效應及其應用

1、<p><b>　　編號:</b></p><p><b>　　課程論文</b></p><p>　　題 目 多普勒效應及其應用 </p><p>　　指導教師 </p><p>　　學生姓名

2、 </p><p>　　專 業(yè) 09物理學 </p><p>　　教學單位 （蓋章） </p><p>　　二O 一二年 六月 五日</p><p><b>　　摘 要</b><

3、;/p><p>　　本文首先以聲音和激光的多普勒效應為例，對聲波、光波及電磁波的多普勒效應原理進行詳細闡述，并對目前各高校的多普勒效應實驗進行總結和改進，詳細介紹了多普勒效應在醫(yī)學治療、氣象監(jiān)控與預警、衛(wèi)星通信和軍事雷達測速與追蹤等領域的具體應用，并以具體實例的形式介紹了多普勒效應對人類科學發(fā)展的重要影響。</p><p>　　關鍵詞：多普勒效應； 電磁波； 聲波 ；光波</p>

4、<p><b>　　Abstract</b></p><p>　　We take the 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 elabo

5、ration of Doppler effect principle, and carries on the summary and the improvement of Doppler effect experiment to the present various universities'. We introduced in detail the Doppler effect in the medicine treatme

6、nt, the meteorological monitoring and the early warning, the satellite communication and the military radar measurements and t</p><p>　　Key word: Doppler effect; Electromagnetic wave; Sound wave</p>&

7、lt;p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　多普勒效應是多普勒于1842年在布拉格舉行的皇家西米亞學會科學分會會議上提出的，用于解釋雙子星的子星和變星的顏色和大小受到星體沿視線方向運動的影響。多普勒效應的提出起先受到了大多人的批評和質(zhì)疑，當時的科技水平使大多數(shù)人認為那只是一個荒謬的思想，然而人們通過聲學中頻率的變化第一次驗證了多普勒效應原理的正確性。最常見的多普

8、勒效應是聲學的多普勒效應，即火車汽笛變頻的實驗，聲學的驗證試驗相對較簡便也更容易為人們所接受，其后不久，俄羅斯科學家貝勒波爾斯基第一次用光學的方法驗證了多普勒效應的正確性?，F(xiàn)在，多普勒效應已經(jīng)成為普遍認同并且開始廣泛應用的規(guī)律。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國受于德國空軍的困擾，首先應用了多普勒效應的原理研制發(fā)明了最早期的聲學雷達，開始了航天領域的一次重大變革，并且影響至今。目前，多普勒效應技術在許多科學領域如工程技術和醫(yī)療診斷等各個方面都有著

9、十分廣泛的應用。如醫(yī)學上用多普勒效應形成彩色血流顯像系統(tǒng)，測量血流速度等。在天體物理可以利用譜線的多普勒增寬分析恒星大氣，雙星的特征等.....多普勒效應的最大優(yōu)越點就是能與許多學科交叉，各科的學者巧妙地用移植的方法進行創(chuàng)新、吸收甚至引入某</p><p>　　第二章 多普勒效應的原理</p><p>　　本章主要介紹了多普勒效應的原理，以下從早期雷達的應用和聲波的多普勒效應兩個方面進行闡

10、述。</p><p>　　2.1多普勒效應的發(fā)現(xiàn)及早期雷達應用</p><p>　　多普勒效應的正式提出是1842年在布拉格舉行的皇家波西米亞學會科學分會會議上的論文《論天體中雙星和其他一些星體的彩色光》。該論文的主要結論是：</p><p>　?。?）如果一個物體發(fā)光，在沿觀察者的視線方向以可與光速相比擬的速度趨近我們，或后退，那么這一運動必然導致光的顏色和強度的

11、變化。</p><p>　?。?）如果在另一方面一個發(fā)光物體靜止不動。而代之以觀察者直接朝向或者背離物體非?？焖俚倪\動，那么所有的這些頻率變化都會隨之發(fā)生。</p><p>　?。?）如果這一“趨向”和“背離”不是按照上述假定的那樣，沿著原來視線的方向，而是與視線成一夾角的方向，那么除了顏色和光強的變化，星體的方向也要變化，這樣一星體同時會在位置上發(fā)生明顯變化。[1]</p>

12、<p>　　論文首次發(fā)表出來因為沒有足夠的實驗數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，因此被很多人質(zhì)疑和批評。1845年在荷蘭進行的火車笛聲實驗驗證了多普勒效應的正確性，多普勒效應才開始得到廣泛重視并應用于實際。多普勒效益的第一次應用始于戰(zhàn)爭服務，第一次世界大戰(zhàn)末期，軍用飛機開始出現(xiàn)，英國由于國土面積小在遭遇空襲預警能力很弱，飽受了來自空中的洗劫。第二次世界大戰(zhàn)前期，英國物理學家羅伯特·沃森-瓦特根據(jù)多普勒效應的原理研制出了最早期的雷達，

13、在英國的東海岸建立了對空雷達警戒網(wǎng)，該雷達墻天線有100米高，能測到160千米以外的敵機，依靠這個雷達墻，英國總能及時準確的測出德國飛機的架數(shù)、航向、速度和抵達英國本土的時間，牢牢把握住了戰(zhàn)爭主動權，有效的降低了德國空軍的殺傷力，在這場英國保衛(wèi)戰(zhàn)中扮演著不可替代的決定性的作用。</p><p>　　2.2聲波的多普勒效應</p><p>　　1845年荷蘭皇家氣象學院院長布依斯·

14、巴洛敏感的聽覺判斷音樂的音調(diào)變化，然后音樂家和樂手對調(diào)位置，多次實驗觀察音調(diào)的變化，最終驗證了多普勒效應在聲學上的正確性。用下面圖像可以表述為：</p><p>　　圖2-1 觀察者和聲源都運動</p><p>　　圖2-2觀察者運動而聲源靜止 圖2-3觀察者靜止，聲源運動</p><p>　　觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時間內(nèi)接收

15、到的完全波的個數(shù)，當波以速度v通過接收者時，時間t內(nèi)通過的完全波的個數(shù)為N＝vt／λ因而單位時間內(nèi)通過接收者的完全波的個數(shù)，即接收的頻率 </p><p><b>　　f＝v／λ</b></p><p>　　波源和觀察者都相對于介質(zhì)靜止（）：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p

16、>　　這時觀測者聽到的波源頻率和波源實際頻率相等。</p><p>　　波源靜止，觀察者以速度相對于介質(zhì)運動（）：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　觀測者接收到的頻率大于波源實際頻率</p><p>　　觀察者靜止，波源以速度相對于介質(zhì)運動（)觀測者接收到的頻率增加

17、 (2-3)</p><p>　　觀察者以速度和波源以速度相對于介質(zhì)運動（）：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　觀測者接收到的頻率遠遠大于聲波實際頻率。</p><p>　　第三章 多普勒效應實驗</p

18、><p>　　本章主要講了多普勒效應實驗，以下從激光多普勒效應實驗和多普勒效應在醫(yī)學上的應用兩個方面進行闡述。</p><p>　　3.1 目前各大高校都在致力于多普勒效應的相關實驗研究工作，主要還是圍繞多普勒效應的聲波、光波和電磁波原理和應用展開。下面分別就光學、聲學和電磁學領域介紹具有代表性的多普勒效應實驗。</p><p>　　3.1.1激光多普勒效應實驗[3]

19、 </p><p>　　當波源和接收器之間有相對運動時，接收器，收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應。 </p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　式中為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，式為聲源與接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，為聲源運動速率，為聲源與接收器連線與聲源運動方向之間的夾角</p>

20、;<p>　?。?）若聲源保持不動，運動物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度v運動，由 </p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　得到 (3-3)</p><p>　?。?）當接收器向著聲源運動時

21、，V取正，反之取負 </p><p>　　(3-4) </p><p>　　圖3-1多普勒驗證實驗</p><p>　　具體的實驗操作步驟如下</p><p>　　1. 檢測室溫，自動調(diào)諧頻率</p><p>　　2. 選中“多普勒效應驗證實驗”，并按“確認”；</p>

22、;<p>　　3. 確定測試總次數(shù)，點“開始測試”</p><p>　　4. 準備好后，按“確認”，儀器自動記錄小車移動速度及與頻率；</p><p>　　5. 通過改變砝碼的數(shù)量實現(xiàn)小車速度由大到小的改變</p><p>　　6. 完成設定的測量次數(shù)后，儀器自動存儲數(shù)據(jù)，對比小車速度與儀器檢測速度，儀器自身頻率與檢測頻率的變化就可以知道激光是否發(fā)生多

23、普勒頻移效應。</p><p>　　由于激光傳播過程中具有很強的直線性，安裝時必須保證發(fā)射器、小車和接收器在同一水平線上。小車運動中遇到的阻力也在很大程度上影響小車速度，保持軌道有足夠的平滑度是實驗成功的關鍵。</p><p>　　3.1.2 多普勒超聲測速實驗[4] </p><p>　　該實驗通過該實驗了解超聲波多普勒效應測速原理與多普勒頻移相關知識，以及掌握多

24、普勒超聲測速儀的原理與操作方法。</p><p>　　在無色散情況下，波在介質(zhì)中的傳播速度是恒定的，不會因波源運動而改變，也不會因觀察者運動而改變。但當波源（或觀察者）相對介質(zhì)運動時，觀察者所接收到的頻率卻可以改變。多普勒超聲測速儀是一套綜合性的超聲測速儀器，該儀器利用多普勒頻移效應實現(xiàn)對運動物體速度的測量，并可與光電方式測速進行比較。</p><p>　　實驗裝置如圖所示，電機與超聲頭固

25、定于導軌上面，小車可以由電機牽引沿導軌左右運動，超聲發(fā)射頭與接收頭固定于導軌右端，若超聲發(fā)射頻率為接收回波頻率為，超聲波在靜止介質(zhì)中傳播速度為v，取向右為正。</p><p>　　圖3-2多普勒超聲測速實驗 </p><p>　　3.2多普勒效應在醫(yī)學上的應用</p><p>　　本節(jié)主要講述了多普勒效應在醫(yī)學上的應用，以下主要從全數(shù)字化彩色超聲波診斷儀和乳腺癌多

26、普勒超聲診斷進展。</p><p>　　3.2.1全數(shù)字化彩色超聲波診斷儀</p><p>　　基本原理：超聲在人體內(nèi)傳播，由于人體各種組織有聲學的特性差異，超聲波在兩種不同組織界面處產(chǎn)生反射、折射、散射、繞射、衰減以及聲源與接收器相對運動產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。應用不同類型的超聲診斷儀，采用各種掃查方法，接收這些反射、散射信號，顯示各種組織及其病變的形態(tài)，結合病理學、臨床醫(yī)學，觀察、分

27、析、總結不同的反射規(guī)律，而對病變部位、性質(zhì)和功能障礙程度作出診斷。</p><p>　　現(xiàn)階段我國約一萬五千多所縣級醫(yī)院，發(fā)展性能價格比高的中低檔彩超來裝備這類醫(yī)院，將會對彩色多普勒診斷技術普及推廣起很大的推動作用，其社會效益也是很顯著的。手提便攜式超聲診斷儀因其靈活便捷的特點在社區(qū)醫(yī)療，床旁超聲，急診救護，戰(zhàn)地診療等方面顯示出極大的優(yōu)越性，可彌補大型儀器體積大，移動不方便的弱點，便于危重或急癥病人的診斷。[5]

28、醫(yī)學超聲儀器已經(jīng)在臨床上得到了廣泛的應用，但是，醫(yī)學超聲儀器的發(fā)展遠還沒有到達盡頭，還有許多工作有待于工程技術人員和醫(yī)生聯(lián)合攻關去解決。在可以預見的未來，超聲治療技術可能還會有較大的進展全面提高現(xiàn)有系統(tǒng)的性能為了滿足臨床診斷的需要，進一步全面提高系統(tǒng)的性能，包括探查深度、空間分辨率、成像速率等指標一直還是工程開發(fā)人員致力研究的目標。盡管由于超聲在人體中傳播時不可避免的存在聲衰減、波束發(fā)散等問題,影響著系統(tǒng)性能指標的提高，但應該說，在現(xiàn)有

29、基礎上進一步提高這些性能指標還是有可能的。</p><p>　　3.2.2乳腺癌多普勒超聲診斷進展</p><p>　　乳腺癌是困擾女性的最常見的惡性腫瘤癥狀之一，早期發(fā)現(xiàn)對于病情的改善意義重大。[3]惡性腫瘤是指活躍的不受機體限制無限生長的細胞，能釋放生長因子刺激產(chǎn)生新生血管，這些血管數(shù)目眾多，積聚在腫瘤邊緣，導致壁薄，缺乏基底膜和肌層，走行紊亂，迂曲，內(nèi)徑粗細不一，同時伴有官腔的狹窄和

30、堵塞，血管通透性增加，這種結構和功能的異質(zhì)性往往累計整個血管樹，出線許多癥狀，這些特點為乳腺癌多普勒儀提供了病理基礎。CDFE（彩色多普勒血流成像）是采用直接顯示紅細胞運動速度的平均頻移信號，同時也接收來自組織內(nèi)部雜亂超聲頻移信號。由于信噪比較低，只能檢測出較大血管即腫瘤血管的信息，而對于低速，低流量的新生微血管無能為力。另一方面，PDI通過檢測多普勒頻譜中幅度信號技術提高了對血流的敏感度，又由于他的無角度依賴型和混疊現(xiàn)象，信噪比相對很

31、高，在檢出低速血流信號方面展露頭新。通過觀察惡性腫瘤的血管數(shù)目，以超聲圖像上一幅斷面所能探及的最多血管數(shù)目為依據(jù)，3條血管為臨界線，可以對乳腺腫塊的良惡性進行劃分。還有一種是根據(jù)血管的豐富程度將血流信號進行分級，病灶內(nèi)少量或沒有血流，血管管徑<1mm為良性。第三種以連續(xù)掃描4秒的彩色捕獲</p><p>　　盡管乳腺良惡性腫瘤在血管形態(tài)學、血流動力學指標方面的變化為多普勒超聲鑒別乳腺腫塊性質(zhì)、評估預后提供了

32、依據(jù)，但無造影劑增強的多普勒超聲對低流量低速的細小血管難以顯示，不能提供腫瘤早期血管生成的信息，對少血供的乳腺癌容易漏診，而且儀器及其調(diào)節(jié)也在很大程度上影響血管的顯示。超聲造影劑及現(xiàn)代超聲檢查技術在近十年來的飛速發(fā)展為乳腺腫瘤的診斷和鑒別提供了更好的平臺，超聲造影后使用高頻探頭，多普勒超聲可顯示直徑約80一140微米以上的血管，而灰階顯像則可反映直徑加加40微米以下的小血管，在一定程度上克服了現(xiàn)有多普勒超聲成像的局限，使超聲對乳腺腫瘤血

33、管生成的研究進入一個嶄新的階段。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本文以文獻法和理論研究法，以多普勒效應為研究對象，得出以下三點結論（1）多普勒效應的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，給人類帶來的突飛猛進的變革，尤其在軍事應用方面表現(xiàn)更為突出，一方面多普勒效應引導了軍事裝備的發(fā)展和發(fā)展方向，另一方面進步的軍事技術又促進了多普勒效應不斷向更多領域得到更大的推廣和

34、應用。（2）從多普勒效應的被提出以來，人類開始逐步意識到并應用于對生產(chǎn)生活和綜合國力的改善，如[6]英國首次利用聲納技術將不可一世的海底幽靈德國潛艇幾乎消滅殆盡，改變了世界戰(zhàn)爭格局。其后重點介紹了多普雷效應在各個領域的實際應用，任何科技成果，只有在真正的應用于實際之后才能顯示它的魅力。（3）對于多普勒效應迅速發(fā)展階段而言，還是依賴于近年來科學技術突飛猛進的發(fā)展和滲透，比如電子技術，數(shù)字技術的應用。歷史證明，多普勒效應在探測未知領域方面表

35、現(xiàn)卓越，人類在探索未知世界的過程中多普勒效應占據(jù)著舉足重輕的地位，人類的發(fā)展始終離不開多普勒效應，必然成為科學發(fā)展的得力助手。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　近代物理課程設計的論文著手時間比較早，五月份xx老師就已經(jīng)給了我們思路框架和寫作時需要注意的細節(jié)，而且給予我很多的指導。幫助我順利地完成了論文，在此本人對xx老師表示由衷的感謝

36、。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 特瑞恩著.王仕康等譯.激光多普勒技術.北京：清華大學出版社，1985:245-278</p><p>　　[2] 陳思平, 程敬之.中國生物醫(yī)學工程學報, 1991：10-11</p><p>　　[3] 蘇景順，范虹．光波多普勒效應的簡單證明

37、[J]．物理與工程，2008，(3).</p><p><b>　　2008，(3).</b></p><p>　　[4] 李俊.基于多普勒速度聲納的水下航行器導航方法[J].華中科技大學學報，2004，32(1):73-75. </p><p>　　[5] Guy .Morris, Linda L. Harkness. Airborne Pu