生活中的“多普勒现象”

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你可能发现，当飞驰的火车接近我们时，其汽笛的轰鸣声会非常尖锐刺耳，而当离开我们时汽笛的轰鸣声会一下子低沉下去，汽笛轰鸣声的音调变化是非常明显的，同样的情况还有疾驶警车的警笛声和赛车的发动机声。这有什么奇怪的吗?难道这里还有什么奥秘吗?是的，科学家从这种熟视无睹的日常现象中发现了非常重要的科学规律：这种由于声源运动而引起音调变化的现象，在物理学上被称为“多普勒现象”。

飞驰而来的火车……

奥地利物理学家多普勒生于1803年，是萨尔茨堡一名石匠的儿子，父母本来期望他子承父业，可是他自小体弱多病，无法当一名石匠。他们接受了一位数学教授的意见，让多普勒到维也纳理工学院学习数学，毕业后又到维也纳大学学习高级数学、天文学和力学。

那是1842年的一天，多普勒带着小女儿在铁道旁散步时，就注意到了当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频会改变。经过认真思考，他首先提出了这一理论：声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低。在那个时代，根本没有精密仪器能够量度出那些音调的变化。反对的人不屑地认为：这不过是听者耳朵的一种错觉罢了。

面对权威的反对，多普勒想最好的办法就是利用实验来验证。在那个时代，没有仪器能够量度出那些变化，多普勒想出了一个“笨”方法：请有经验的乐手亲耳辨别。他请一些乐手在飞驰的火车上露天奏出一定音调的乐音，请另一些乐手在月台上记下火车接近和离开时听到的音调高度。反复实验以后，结果出来了：支持“多普勒效应”的存在!

那么“多普勒效应”的原理是什么呢?原来我们耳朵听到的所谓“音调”是由声音的频率(每秒钟声源振动的次数)决定的，频率高的音调就会尖锐，频率低的音调就会低沉。当波源和观察者相对静止时，1秒内通过观察者耳朵的波峰的数目(叫做“频率”)是一定的，观察者听到的频率等于波源振动的频率。也就是说：听到的是“原声”。

当波源向观察者快速运动(或观察者向波源快速运动)时，1秒内通过观察者耳朵的波峰数目就会增加，这时观察者听到的声音频率增加，频率高的声波音调就尖锐一些：反之，当波源和观察者互相远离时，观察者听到的频率变小，频率小的声波音调就低沉。其实，这时波源发出的声音频率始终如一，但在运动中观察者耳朵接收到的频率却发生了变化，这就是“多普勒现象”的简单原理。

“多普勒现象”在医学上的应用

20世纪80年代以来，超声诊断技术(B超)以惊人的速度发展，它与cT、核磁共振、同位素扫描一样，成为现代医学四大影像诊断技术之一。B型超声检查，俗称“B超”，是患者在医院就诊时经常接触到的医疗检查项目。在临床上它被广泛应用于心内科、消化内科、泌尿科和妇产科疾病的诊断。

超声多普勒技术在临床上的应用不断增多，比如近年来迅速发展起来的超声脉冲多普勒检查仪，当声源或反射界面移动时，比如当红细胞流经心脏大血管时，从其表面散射的声音频率发生改变，由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度，如红细胞朝向探头时，根据多普勒原理，反射的声频则提高，如红细胞离开探头时，反射的声频则降低。通过精密电脑的分析，可以发现很多与病情有关的数据。

心脏彩色多普勒正是应用这种原理，把心脏血流描绘得惟妙惟肖，成为目前世界上最先进的超声诊断设备。心脏彩色多普勒是一种非侵入性检查心脏病的重要技术之一，对病人无痛苦，无损害，方法简便，可重复多次，显像清晰，诊断准确率高，易普及推广，已成为现代临床医学中不可缺少的诊断工具，是诊断心脏病特别是先天性心脏病的有效方法。

你有没有过这样经历?静脉注射时由于血管不好找，只得强忍疼痛，被扎了一次又一次!普通人尚且如此，对那些患有脱水症、心脏病及过度肥胖者来说，静脉注射更是苦不堪言。还有当医师治疗严重外伤病人时，每一秒都弥足珍贵。然而，各种创伤、烧伤经常使人“血肉模糊”，细小的静脉难于被定位，用于挽救生命的药品难以注射。

现在好了，一种采用多普勒超声波技术的新型注射器试验成功了。原来，在我们的皮肤结构中，表皮、皮下组织等都是静态的，而血管中流动的血液则是动态的。利用这个原理，多普勒超声波能够探测到流动着血液的血管的精确位置，提供了关键的三维信息，这样就可以为针头定位。在注射时，这种注射器可以根据血液的流向判断出静脉和动脉，当发现静脉时，指示器亮，医护人员就可以进行静脉注射了。

“多普勒现象”用于测速

“射门!”绿荫场上足球比赛激烈进行，运动员抬脚射门，“中了!中了!关键的一球，足球以128千米时速，像飞火流星一样，射进大门!”解说员声嘶力竭地呼喊着。那么，解说员是怎么知道足球的速度呢?原来，这是“多普勒测速雷达”告诉他的。

雷达是利用无线电波来测定物置的无线电设备。电磁波同声波一样，遇到障碍物也要发生反射，雷达就是利用电磁波的这个特性工作的。利用“多普勒现象”，可以知道物体的运动方向和即时速度。“多普勒测速雷达”的结构，主要由电磁波发射器、电磁波接收器、微型电脑以及数码显示器(打印机)组成，当然还需要稳定的电源设备。有一种袖珍“测速枪”，外型极像一只手枪，可以非常方便地用手拿着，操作十分简单，它也有枪筒、手柄、扳机和电源等部件。有效测速距离为500～800米，误差小于2％。

测速雷达在城市交通管理中也发挥着独特的作用，还可以测量几十千米外，甚至上百千米外的飞机和云层，在一定条件下反映出大气风场、气流垂直速度的分布以及湍流情况，这对研究降水的形成，警戒强对流天气等具有重要意义。对强雷暴的侦察率是96％，对龙卷风的发现率是83％，对龙卷风警告的平均预警时间是18分钟。

移动通信避免“多普勒效应”

“多普勒现象”的用途广泛，但是也有对我们不利的时候。在过去手机的使用中，经常发生这样的情况，当汽车飞速行驶时，正在通话的手机会突然“掉线”。这个罪魁祸首是谁呢?正是大名鼎鼎的“多普勒效应”。

原来在移动通信中，当移动台(手机)移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，这种“频率偏移”与相对运动的速度成正比，很影响手机信号的质量甚至导致“掉线”，所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”的影响。当然，由于日常生活中，我们移动速度有限，一般不会带来十分大的频率偏移，但是在疾驶的汽车、火车上，就会给移动通信带来一定的影响。为了避免这种影响造成通信出问题，我们不得不在技术上加以考虑。目前我国的科技成果，实现了每小时431千米以内的速度下，移动通信系统的连续稳定通信。这是目前国际上完成的最高速度下的演示，也为全球通信业解决了一大难题。

在卫星移动通信中，“多普勒效应”的影响就更加明显了。这时无线电波的发射源和接收器之间，相对速度极快。这样，如果接收器移向卫星时，频率就变高，远离卫星时，频率就变低，而且由机或各种航天器的本身速度也十分快，这些“频率偏移”的变化非同小可!所以我们在卫星移动通信中，必须充分考虑“多普勒效应”的负面影响。

科学家深入研究发现，“多普勒效应”的意义远不止于此，它适用于所有类型的波，包括光波、电磁波甚至机械波，还有很多潜在的用途，在很多研究领域有着不可替代的作用呢!(文章代码：1408)