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振动与波

多普勒效应

波源与观察者相对运动会改变接收频率;声源与介质相对静止时,靠近会使观察频率升高。

救护车接近时警笛听起来更高,远离时更低。移动声源前方波面变密,后方变疏;介质中的声速仍由介质决定。 该效应以物理学家克里斯蒂安·多普勒命名;他提出运动恒星颜色会发生偏移。对于声音,对应现象表现为频率变化。

f_{ m obs}=f, rac{v+v_o}{v-v_s}quad( ext{rapprochement}),qquad f_{ m obs}=f, rac{v-v_o}{v+v_s}quad( ext{éloignement})

定义: 多普勒频率

其中 vv 是相对于介质的声速,vov_o 是观察者朝向声源的速度(接近取正),vsv_s 是声源朝向观察者的速度(接近取正)。公式假设运动沿声源与观察者连线,且 vs<vv_s<v。

运动声源连续发出波面,前方间距变小、后方间距变大,体现多普勒频移。

声源运动、观察者静止

声源靠近静止听者时 fmobs=fv/(v−vs)f_{ m obs}=fv/(v-v_s),远离时为 fmobs=fv/(v+vs)f_{ m obs}=fv/(v+v_s)。发射频率不变,变化的是介质中波面的间距;若听者运动,分子也会变化。

例题: 例题

警笛以 f=500f=500 Hz 发声,以 vs=20v_s=20 m/s 靠近静止观察者。取声速 v=340v=340 m/s,求接收频率。

解答

fmobs=fv/(v−vs)=500imes340/(340−20)=531.25f_{ m obs}=fv/(v-v_s)=500 imes340/(340-20)=531.25 Hz,高于发射频率。

快速检测

声波的多普勒频移取决于相对于介质的运动,而不仅是声源与听者的瞬时距离。接近的声源使前方波长缩短;在静止介质中运动的听者每秒遇到更多波面。应分别确定声源和听者沿视线方向的速度,再按符号约定代入,不能随意合并速度。

应用模型时,应说明哪些量保持不变,并选择合适的参考系。数值旁标明单位有助于避免混淆不同物理量,或混淆测量值与预测值。计算后检查量纲、符号和极限情况,确认结果符合所用假设,例如小振幅、均匀介质或忽略阻力。若实际条件与假设不同,应解释偏差,而非机械套用公式。

可将特殊情况代入关系式作物理检查,例如平衡位置、最大位移、完整一个周期或不存在相对运动。这些情况常使某个量为零或达到极值,有助于发现符号错误以及周期与频率的混淆。比较实验时,每次只改变一个条件,才能明确结果变化的原因。

声源靠近静止听者时,接收频率与发射频率相比如何?

600 Hz声源以30 m/s远离静止听者,介质中 v=300v=300 m/s,听到的频率是多少?

参考文献

  1. Young, Freedman (2019). University Physics