多普勒效应及其应用研究

邵阳学院毕业设计论文PAGEIPAGEI毕业设计（论文）课题名称多普勒效应及其应用研究学生姓名学号系、年级专业理学与信息科学系物理学指导教师职称

PAGE1PAGE4目录TOC\o"1-2"\h\z摘要 1Abstract 21.绪论 31.1起源和发展 42.多普勒效应的基础理论 53.光学中多普勒效应的应用 63.1退行红移是大爆炸宇宙理论的基础 73.2横向多普勒效应，验证了相对论中“时间膨胀”的理论 83.3多普勒测速仪测速 93.4卫星导航和飞机微波着陆 104.声学中多普勒效应的应用 115.怎样理解多普勒效应 125.1正确理解多普勒效应的二种情形 135.2多普勒效应在实际应用时的适用条件 146.多普勒效应在其他方面的应用 156.1超声波的多普勒效应及应用 166.2多普勒效应在医学上的应用 176.3多普勒效应在全向信标导航中的应用 187.总结 19参考文献： 20致谢 21摘要多普勒效应广泛存在于波的运动中，对波的运动效果产生重要影响．多普勒效应是指当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者所接收到的波长（频率）会改变，而两者间的相对速度越大时，产生的频率变化也越大。多普勒效应可以理解为运动的波所具有的一种性质，应用它，可以从侧面了解到更为全面的波的运动情况．在实际的生产生活中，对波的多普勒效应的应用有许多，声学里的D超彩超等，交通军事中的多普勒测速，一些重要理论的推导等。本文旨在较为全面的对多普勒效应在生产生活中的应用作出介绍，主要从声学方面和电磁波两方面作出阐述，为大家增强对多普勒效应的了解提供帮助。关键词：多普勒效应；波源；波长；蓝移；红移AbstractDopplereffectswidespreadinthewavemotion,wavemotioneffectsonanimportantimpact.Dopplereffectisthatwhenthewavesourceandtherelativemotionbetweentheobserver,theobserverofthereceivedwavelength(frequency)willchange,themovementofthewavesourceinfrontofthewaveiscompressed,shorterwavelength,thefrequencybecomeshigher;movementofthewavesourcesintheback,wavesarestretched,longerwavelength,lowfrequency.Thegreatertherelativevelocitybetweenthetwo,theresultingfrequencychangeisalsogreater.Dopplereffectcanbeunderstoodasamovementofawaveofthenatureoftheapplicationitcanbelearnedfromthesidemorecomprehensivewaveofmovement.Intheactualproductionlife,thewaveoftheDopplereffecthasmanyapplications,thispaperaimsforamorecomprehensiveDopplereffectintheproductionlifeoftheapplicationtointroducethemainaspectsofacousticandelectromagneticwavesfromtwotoelaborate,foreveryonetoenhancetheunderstandingoftheDopplereffecttohelp.Keywords：Dopplereffect;wavesource;wavelength;blueshift;redshift1.绪论1.1起源和发展多普勒效应的提出,是160年前的事。当时光的波动理论已经被普遍接受,但光谱技术的发展还处于初期阶段。因而,多普勒提出他的效应是有相当大的风险的。他没有足够的实验数据作基础,没有充分的事实作依据,更没有经过适当的手段来验证,加上多普勒本人从来就没有进入过天文台,提出星体运动的颜色变化,理所当然会遭到一些批评和反对。但多普勒具有非凡的胆识和超人的智慧,凭借波动理论的基础,靠着严密的数学推导,得出了这一原理,虽然作为这一原理两条基本假定是不正确的,因而其表述听起来过于夸张甚至近于荒唐(例如提到向我们靠近的星体的颜色会从白变绿变蓝变紫),但他毕竟是第一次向人们提出了这种效应的存在,并且正确得出了计算学频移的公式,因而他的这一贡献是很了不起的,为宇宙的探索打开了一个全新的篇章。经过相对论理论的修正,多普勒效应成为一个重要的天文学工具。目前，多普勒效应已在科学研究、工程技术和医疗诊断等各方面有着十分广泛应用。如由于分子、原子和离子的热运动产生的多普勒效应使其发射和吸收的谱线增宽,在天体物理中可利用谱线的多普勒增宽分析恒星大气。今天的天文学家从多普勒原理中得到了最基本的测量方法;绝大多数的星体运动的知识,包括双星的特征,银河系转动的证明等等都是由这一原理中得出的。激光多普勒测速已成为一种重要的实用技术,是研究流体流动的强有力的手段。它可以用于测量某些不适于或不可能用其多普勒效应广泛存在于各种波源的运动中，对于运动物体的精细研究有重要意义，近年来不断发展的航天航空事业，不断精进的军事方面，乃至气象学，医学，交通等多方面都有重要应用。2011年在高新科技上，对多普勒效应的研究有许多重要突破，来自瑞典、日本、法国和美国、的科学家们第一次在一个全新的微观角度--分子水平，观察到多普勒效应的作用[1]；澳大利亚科学家首次成功逆转光学多普勒效应，这一进步有助于研制隐形斗篷[2]。2.多普勒效应的基础理论多普勒效应是为纪念1842年奥地利物理学家及数学家克里斯蒂安。多普勒（ChristainDopper,1803~1853）提出这一理论而命名的。当时他发表论文推导出当波源和观察者之间存在相对运动时，观察者所接收到的波长（频率）会改变，在运动中的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高；在运动中的波源后面，波被拉伸，波长变长，频率变低。而两者间的相对速度越大时，产生的频率变化也越大。在这一理论提出之初，主要应用于一些声学现象的解释，在1848年法国物理学家费佐（HippoyteLouisFizeau，1819~1894）将之应用于恒星相对运动速度的测量，并指出多普勒效应用于任何波的运动，包括光。因此常把光的适多普勒效应称为多普勒-费佐效应[3]。对于机械波而言，当波的传播方向，波源和接收器三者不共线时，多普勒效应的普遍公式写为：（2.1）式子中QUOTE和分别为波源频率和接收器接收到的频率，QUOTE是波在介质中的传播速度，和分别是波源和接收器的速度，而QUOTE和分别为和与接收器到波源连线的夹角。而当三者共线时就有；QUOTE，（2.2）声波是一种机械波，所以上述公式完全适用于声波的多普勒效应[4]。对于电磁波而言，根据爱因斯坦的相对论原理和光速不变原理，电磁波的多普勒效应仅取决于波源和接收器之间的相对速度。所以电磁波在真空中可以表示为；（2.3）式中，是波源频率，为接收器接收到的频率，，为波源和接收器之间的相对速度，为光速，是光源运动方向和波射线方向夹角[5]。光波是一种电磁波，所以上述公式完全适用于声波的多普勒-费佐效应。当时：取正，波长向短波方向移动，称为蓝移或紫移；取负，波长向长波方向移动，称为红移。当QUOTE时，由（2.3）式得（2.4）由（2.4）式得QUOTE，即光存在横波多普勒效应，且只能发生红移[6]。在这里所说的红移和蓝移是指多普勒效应所引起的，实际上还有引力等原因引起的红移和蓝移。红移和蓝移是在天文学中经常出现的词汇。在旋转星系中，朝向我们转动的一端会出现蓝移现象，在仙女座星系我们就可以观察到这一现象；而远离我们的一端会出现红移现象，在许多旋转星系、星云中都可观测到这一现象。多普勒效应广泛存在于生产生活中，有许多现象可以让我们直观的发现多普勒效应的存在以及其效果。如消防车，救护车或警车“呜呜”鸣响着由远及近，又渐行渐远，我们会发现除了鸣响的响度大小有所改变外，它的音调也有所变化，由远及近时音调会变高，而渐行渐远时会变低。我们可以设车辆行速为，向着静止的我们驶来，车发出鸣响的频率为QUOTE，声速为QUOTEQUOTE，由（2.2）式则有：（2.5）当取正时，两者远离，减小，当取负时，两者接近，QUOTE增大[7]。方程式赛车疾驰而过时发动机的震动变化，飞机俯冲而下的响声都是这个道理。战争中经验丰富战士的可以凭借炮弹飞来时发出的尖啸而判断出炮弹落点与自身距离继而进行防护，正是就多普勒效应的应用。天文学家在观测恒星远离我们而去的恒星，它发出的光的谱线向红端移动，就是红移现象，而朝向我们运动的恒星，他发出的光的谱线向紫端移动，就是紫移（蓝移）现象。在1868年英国天文学家哈金斯利用谱线（频率）变化而算出了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度）为46千米每秒。3.光学中多普勒效应的应用3.1退行红移是大爆炸宇宙理论的基础多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。科学家EdwinHubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向他,光线就成为蓝移。具有波动性的光也会出现这种效应也被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819～1896)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动,称为红移;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为蓝移。大爆炸宇宙论认为：我们所处的宇宙是在约150亿年以前，由一个质量很密度都无穷大的点爆炸而形成的。在爆炸的最初，那些运动最快的产物，构成了现今宇宙的最外区。因此，它们相对我们的径向速度最大，它们的红移也越大。20世纪以来，天文学家对外星系发出光波所作的光谱分析表明，几乎所有的星系都存在红移现象。1929年，E.P.哈勃发现河外星系视向退行速度与距离成正比，即距离越远，视向速度越大。（3.1）式中为红移，为红移常数。2009年5月7日，美国宇航局NASA发布最新的Hubble常数测定值，根据对遥远星系Ia超新星的最新测量结果，哈勃常数被确定为。哈勃定律是物理宇宙论的陈述：来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。这条定律是哈柏和米尔顿·修默生在接近十年的观测之后，于1929年首先公式化的。它被认为是在扩展空间范例上的第一个观察依据，和今天经常被援引作为支持大爆炸宇宙学的一个重要证据。应用多普勒红移和哈勃定律就可以描绘出大爆炸宇宙论所说的宇宙膨胀图像。由于星系红移具有宇宙学意义，所以又被称为宇宙红移。哈勃定律的发现是20世纪天文学中最为重大的事件之一。宇宙学家普遍认为，它是宇宙膨胀理论的一个重要依据，从而改变了人们一直存在的静态宇宙的观念[8]。3.2横向多普勒效应，验证了相对论中“时间膨胀”的理论在多普勒效应中我们把由光源和观察者在其连线上运动所引起的多普勒效应叫做纵向多普勒效应；而把相对运动方向垂直光源和观察者连线所引起的多普勒效应叫做横向多普勒效应。在横向多普勒效应中周期存在变化，周期易得：（3.2）这正是狭义相对论时间膨胀效应．可见，横向多普勒效应是相对论时间膨胀效应所产生的必然结果。同时横向多普勒效应也成为验证相对论的一个重要理论依据。时间膨胀效应我们已经在宇宙射线中观测到了，这成为时间膨胀的重要现实依据。由此可见，横向多普勒效应是考虑和解决一些近代物理理论的另一条有效途径。3.3多普勒测速仪测速在交通中，多普勒测速仪测速是一种较普遍的测速仪器，应用电磁波的多普勒效应，能够较准确的测速。首先由测速仪向行驶车辆发射频率为的电磁波，被行驶中的车反射后，被测速仪接收，接收到频率为，夹角取0，在车速远小于光速时则由（3.2）式有（3.3）由上式可推导出车速为：（3.4）由计算机算出数据，近而得出车辆的行速。其实就这种方法判断行速的应用还有许多。舰船、飞机等航行速度的测定，乃至军事中弹体速度的测量。近年来比较热门的导弹拦截，就是利用这种方法用雷达测出导弹速度，从而实施拦截。3.4卫星导航和飞机微波着陆多普勒中原频率和接收频率存在差值，叫做多普勒频移，由式（3.5）中式表示多普勒频移，为接收频率，为原频率，为相对速度，为电磁波速，为波源和接收器夹角[9]。可以认为此式为海军导航卫星系统和飞机多普勒扫描微波着陆系统的理论基础。设一导航卫星以速度前行，并不断向地面发射无线电信号。当卫星向舰船行来，与舰船最近和远离舰船飞去，多普勒频移曲线中由大于零，到等于零，最后小于零，接收到频率越来越小。可以发现多普勒频移曲线和舰船位置有着一一对应的关系，所以只要测得卫星通过舰船过程中的多普勒频移曲线，就可以确定舰船位置。实际上要精确测量瞬时多普勒频移由于天气等原因是存在困难的。常测量在一定时间间隔内的多普勒计数，它比例于这段时间内的卫星和舰船间距的总变化。若到时间段内测得多普勒计数为，相应卫星位置为和；在到的时间段内，又有，卫星位置和。这样，就得到两个距离差参量，它们对应的位置面分别为以和，和为焦点的旋转双曲面，加上地球的椭球面，就可以对海中舰船定位。我国第一个海军卫星导航系统——子午仪，就是按此方法建立起来的积分多普勒导航系统。AABBBbBBbBBBbBbBBb图1A为地面上一以速度运动的辐射源，B为装在飞机上的一接收器，为辐射源运动的法线方向。则由辐射源和接收器间发生相对运动所产生的多普勒频移如上所示，当接收器和辐射源运动的法线方向夹角为时，则有（3.6）当和恒定时，则有多普勒频移随方位角成正弦函数关系而变化。所以只要测得多普勒频移值，就可以确定出方位角的大小。在三维空间中，保持为常值的接收器的几何位置，是一个以辐射源运动的方向为轴线，辐射源和接收器间的连线为母线的圆锥面[7]。因此，多普勒扫描着陆系统中等位面为圆锥面。不论接收器处于圆锥面上的任何位置，接收器测得的都是相同的。这就是多普勒扫描着陆系统的主要工作原理。4.声学中多普勒效应的应用对于声波和其他波动,情况相似:当波源和观察者相对静止时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的,观察到的频率等于波源振动的频率;当波源和观察者相向运动时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加,观察到的频率增加;反之,当波源和观察者互相远离时,观察到的频率变小。在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低。为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低。为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播时的规律。其结果是声波的波长缩短,好象波被压缩了。因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车向远方时,声波的波长变大,好象波被拉伸了。因此,声音听起来就显得低沉。定量分析得到其中Vs为波源相对于介质的速度,Vo为观察者相对于介质的速度,f表示波源的固有频率,u表示波在静止介质中的传播速度。当观察者朝波源运动时,Vo取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,Vo取负号.当波源朝观察者运动时源(即顺着波源)运动时Vs前面取负号;前波源背离观察者运动时Vs取正号。从上式易知,当观察者与声源相互靠近时,f1>f;当观察者与声源相互远离时,f1<f。近年来，医疗事业不断发展，医学仪器多种多样，诊断方法日新月异，多普勒超声成像悄然走进人们的生活。多普勒超声成像是超声成像学中的一个重要分支，超声频移诊断法即D超，以及近年来才刚刚出现的彩色多普勒超声显像（CDI）就是这方面的代表。在D超中包括脉冲多普勒，连续多普勒和彩色多普勒血流成像。它是应用多普勒效应根据探测血流流动和脏器活动的方法，当声源与接收体（即探头和反射体）之间存在相对运动时，设速度为QUOTE，而声源发出的波的波长为，波速为，为原频率，为回声频率，有：，既（4.1）就是说，接收到的回声频率发生变化，而将声频变化信号传输到计算机中，经处理即可获得诊断图象。D超可对血流听诊、测速，获得横断面、纵部面及侧面投影图等进行观测，应用广泛，而且D超具有无损伤，操作简单、迅速，便于重复应用等优点。近年兴起的彩色多普勒成像即彩超，它可以说是D超和B超的综合。利用D超获得血流速度变化，利用B超获得血管位置，从而形成更为精准的血流图象和血管位置，为疾病的诊断和治疗提供精确的基础。我们熟知的彩超，就是彩色－多普勒超声波探测诊断技术，可以观测到血流流动情况等有利于及时发现胎儿的异常。还有在B超和彩超基础上的三维立体B超，还有目前世界上最先进的彩色超声设备的四维B超简称４D超声，都是多普勒效应在医学中的重要应用[3]。再交通方面，超声的多普勒效应也有所应用。交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波，同时测量反射波的频率，由反射波的频率变化而知道车的行进速度，进而判断其是否超速。5.怎样理解多普勒效应多普勒效应是波的一种重要现象,多普勒效应一般指声学(机械波)的多普勒效应和光学(电磁波)的多普勒效应。声学多普勒是奥地利物理学家多普勒在1842年提出的声学理论。声学多普勒效应指在声源相对介质运动,观察者相对介质静止;声源相对介质静止,观察者相对介质运动;声源和观察者相对介质都运动三种情况下,观察者接收到的声波频率和声源的振动频率不相同的现象。而光学多普勒效应是爱因斯坦在《论物体的电动力学》论文中,由相对论得出的推论。光的多普勒效应指光源与观察者有相对运动时出现的观察者接收到的光波的频率与光源的振动频率不相同的现象。对于真空中的光波,由于光速C与参照系无关,因此只存在光源与观察者的相对速度,从而造成光学的多普勒效应与声学的多普勒效应有原则的区别。在教学中注意通过对比,找出它们的不同特点,从而可加深对两种多普勒效应物理意义的理解,现分析如下我们知道声学的多普勒效应数学表达式为:（5.1）上式中为观察者接收到的频率;为声源的振动频率;为声波相对介质的传播速度;为观察者相对于介质的速度;为观察者的速度与声源和观察者连线的夹角;为声源相对介质的速度;为声源的速度与声源和观察者连线的夹角。当声源和接收器的运动方向在二者连线上时,可得出特殊条件的表达式,此时,=0或=0,(5.1)式可变形为:（5.2）此式的符号规定是;波速为绝对值;波源速度方向指向接收器时取正值,背离时取负值;接收器速度方向指向波源时取正值,背离时取取负值当（5.2）式中=0（5.2）式变为（5.3）此式为波源以相对介质运动,接收器相对介质静止时的情况。在这种情况下,也可以把看成波源相对接收器的速度。当(5.2)式中=0(5.2)式变为（5.4）此式为波源相对介质静止,接收器以速度相对介质运动的情况,在这种情况下,也可把看成接收器相对波源的速度。光学的多普勒效应数学表达式为:(5.5)此式中u是光源和接收器之间相对速度的绝对值;是速度u和接收器与光源的连线方向之间的夹角。如果相对运动发生在波源和接收器的连线上,即=0,上式可变为:（5.6）式中光源离开接收器u取正值,光源接近接收器u取负值。这种特殊情况下的多普勒效应称为纵向多普勒效应。5.1正确理解多普勒效应的二种情形1842年，奥地利物理学家多普勒发现，当波源和观察者有相对运动时，观察者感受到波源的频率会发生变化。人们把这种现象叫做多普勒效应。高中物理新教材《机械波》一章新增了《多普勒效应》一节内容，教材经过对“两种情形”简要的分析，概括得出:当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，则观察者接收到的频率增大;如果二者相互远离，观察者接收到的频率减小。检查教学效果时发现，学生对结论的记忆是深刻的，但对两种情形的理解却是肤浅的，有的甚至于把两种情形混为一谈。为帮助学生正确理解多普勒效应，本文拟对其“两种情形”作具体分析。1第一种情形，波源相对介质静止，观察者运动（图1为各向同性的介质中传播，图2为在均匀各向同性的介质中传播）假定点波源的振动在均匀各向同性的介质中传播(见图l)，频率为f.设观察者R以速率朝波源O运动，而波相对静止介质速度为V，由相对运动的知识可知，观察者观测到的波速为=V-,所以接受频率应为（1）式中才为观察者观测到的波长，因为经典力学不考虑相对论效应，即从不同参照系测量同一物体的长度是相同的，故，代入（1）式得（2）将代入（2）式得（3）如果观察者以速率背离观察者运动，那么他观测到的波速为，接受频率与波源频率的关系为（4）将（3）（4）二式合写在一起，可得（5）由（5）式可见：若观察者朝波源运动，式中取正号，接受频率高于波源频率;若观察者背离波源运动，式中取负号，接受频率低于波源频率。产生这种频率变化的效应，是因为相对子观察者与相对于介质的波速不同的缘故。2第二种情形观察者相对介质静止，波源运动仍然假定点波源的振动在均匀各向同性的介质中传播，频率为.设波源O相对于介质以速率朝观察者R运动(见图2)。因为波的传播速度与波源的运动无关，而波源每发出一个波后向右移动了的距离，所以对于观察者来说，波长缩短了，即观察者观测到的波长又，故因观察者相对介质不动，故观测到的波速即介质中的波速，即由此可推出此时接收到的频率为（6）反之，若波源背离观察者运动，仍用表示波源速率，则接受频率为（7）合并（6）（7）得（8）（8）式表明当波源朝观察者运动时，式中取负号，观察者接受到的频率高于波源频率;反之，当波源背离观察者运动，式中取正号，接受频率低于波源频率。由以上分析可知，这里接受频率和波源频率之所以不同，是由于相对于观察者波在介质中的波长发生了变化的缘故。观测到的波速发生变化而波长不变引起的;第二种情形是由于观察者观测到的波长发生变化而波速不变引综上所述，“两种情形”产生多普勒效应的成因是不同的。第一种情形是由于观察者起的。要注意的是无论哪种情形，对波自身而言，在介质中它的频率、波长、波速都是不变的。5.2多普勒效应在实际应用时的适用条件当前在大学物理教学现代化和工程化的改革中，常把科学研究和工程技术中的实际例子编成例题和习题来丰富教学内容。有关多普勒效应的章节也是如此，这样做是很好的，但在解题时要特别注意物理概念和公式的适用条件。我们来看国内外教材中常见的一个例子:“监视汽车的雷达站发出频率为20xl护H:的电磁波，被一辆向着雷达站行驶的汽车所反射，雷达站上的警察测到的频移为4.67xl护HZ，求汽车行驶速度为多少?”该题如果用纵向经典多普勒效应来解，则在物理概念上就错了，因为电磁波传播速度c是不变的，与波源和观察者的运动无关，不能用伽利略速度变换公式去计算。正确的解法应该采用相对论性多普勒效应频移公式求解。设电磁波速度为C，汽车行驶速度为V，精确到V/C一次幂，汽车接收到的频率为===因此，汽车的作用就像是一个发射频率为的运动波源，雷达站接收到返回的频率为====由频移定义得=-=故汽车行驶速度为V==126km/h可见，该汽车若在一般公路上行驶时，速度似乎太快了。最后必须指出，若用经典多普勒效应求解时使用汽车速度v《c的条件，也可能会得出相同的答案，但其物理概念还是错误的。由于国内在一些书中有此错误出现，所以应该引起大家的重视和注视。6.多普勒效应在其他方面的应用6.1超声波的多普勒效应及应用频率高与人类听觉上限频率的声波称为超声波。超声波最明显的传播特性就是方向性很好,视线能定向传播,穿透本领很大,在液固体中传播是衰减很小。在波透明的固体中能传播几十米,超声波碰到杂质或介质分解面有显著的反射。此特性使得超声波成为探伤,定位等技术的一个重要工具。在材料中的穿透力和传播方向性好的特点。超声波探伤是通过型号往返于缺陷的传播时间来确定缺陷与表面的距离,通过回波信号的幅度和发射换能器的位置来确定大小和方向。(A扫描法,脉冲反射发),B扫描法可显示工件内部缺陷的纵截面徒刑,C扫描法可显示工件内部缺陷的横截面图形。就他的无理性而言,用超声波法可无损检测厚度,材料硬度,硬磁深度,晶粒度,液体和流量残余应力和胶结强度。超声诊断的物理基础,主要是利用超声波在界面的反射,由于人体内部位置与器官的声阻抗不同,超声波进出器官时在界面上形成不同频率的反射波。当器官发生病变或异物时由于形状位置和声阻抗的变化,街面上的反射波的强度和位置也发生了改变,临床就是利用这一特点来进行诊断。超声全息照相为医学提供了不同于x射线和同位素扫描的一种全新诊断技术,x射线和同位素诊断对于人体会产生一定的危害,但超声全息技术通常使用的最高功率范围仅为每平方厘米击败毫瓦,实验证明这样低的超声功率对人体组织不会有损害。利用X射线对于骨骼、胃肠、肾和血管等进行诊断时,病人要服造影剂或其他措施,以获得由对比度的照片。在同位素诊断中,病人要口服或注射同位素,这些都会给病人带来不舒适的感觉。在美国,L.weiss等人应用液面超声波全息照相装置对老鼠腹部肿瘤进行了观测,(肿瘤是人工移植的)51个肿瘤中可看到49个,确诊率达到96%,确诊肿瘤中用X射线仅能看到一半。超声波诊断简易、迅速且对患者无伤害、无痛苦,特别是对人体软组织的诊断最为有效。超声波的多普勒效应在海洋开发方面也有很大应用①检测海洋污染,利用记录声波散射强度,可以判断海洋污染程度,分析废物污染速度等;②测绘海底地貌,特别现今随着光纤技术的飞速发展铺设海底光缆对海地地貌勘测已成为一项十分迫切的前期工作;③海洋声学遥感,非声学海洋遥感。例如微波,红外及卫星遥感等共同缺点是穿透海洋内部,但超声波可达到海底深处,从而测得整个海洋空间和海地参数。超声波的多普勒效应在军事上应用广泛1950年人们研制出第一代多普勒雷达,这对飞行器自备式导航开辟了广阔前景。现如今多普勒雷达将成为了各类飞行器自备式导航的必须设备,并且在未来反侵略战争和空间开发技术中,发挥更大的作用,给出更准确更可靠的导航信息。声纳是利用声波进行导航预测距的意思。多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种利用水下波来测速和计程的精密仪器。用声纳可以水下侦察,从发射机电信号转换成声波信号又遇到潜水艇、水雷、鱼群等反射回来就能确定目标的位置。二战中损失了1000多艘潜艇,其中大部分都是被声纳发现的,因此把声纳装在潜艇上,搜索潜艇、探雷担当警戒充当耳目。激光测速利用的是光波的多普勒效应,除此之外激光冷却原子的主要思想是“多普勒冷却”的基本机制,最重要的原理。激光冷却和中性原子捕县的两个重要应用是原子被激光发散射和原子喷泉。北京大学已成功实现了原子喷泉,其意义极为深远,因而原子喷泉可做成准确度极高的原子钟。每三千万年时间里可往返误差为一秒。这是建设我国独立自主时间频率系统,是我国自主控制时间和空间基准的重要设备。现今电磁波和光波的多普勒效应在先进的技术领域有着广泛应用。从相同元素的光谱比较能够计算“退行”速度。在“大爆炸”宇宙学理论的重要证据。电磁波多普勒效应还用于,汽车速度监测和跟踪人造卫星,地球卫星等。因此了解多普勒效应,利用多普勒效应对人类科学发展,探索大自然都有着深刻意义。他会给人类社会发展带来巨大财富。6.2多普勒效应在医学上的应用(1)在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲Doppler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Doppler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。(2)多普勒超声。应用多普勒效应原理,当探头和反射体之间有相对运动时,回声的频率有所改变(称为频移),距离变近则频率增加,距离变远则频率减少,其差额可以通过检波器检出,用不同类型的仪器可以显示出多普勒信号音和多普勒曲线图,用脉冲多普勒可获得多普超声频普图,可以观察血流的方向和速度。比如现可以施行的医科学技术有:多普勒超声听诊法;多普勒超声频普