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 是相对于介质的声速, 是观察者朝向声源的速度(接近取正), 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 。
声源运动、观察者静止
声源靠近静止听者时 ,远离时为 。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 Hz 发声,以 m/s 靠近静止观察者。取声速 m/s,求接收频率。
解答
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 m/s,听到的频率是多少?
参考文献
- Young, Freedman (2019). University Physics