課程設(shè)計(jì)-多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用

1、<p><b>　　編號(hào):</b></p><p><b>　　課程論文</b></p><p>　　題 目 多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　學(xué)生姓名

2、 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) 09物理學(xué) </p><p>　　教學(xué)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(yīng)為例，對(duì)聲波、光波及電磁波的多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對(duì)目前各高校的多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)，詳細(xì)介紹了多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)治療、氣象監(jiān)控與預(yù)警、衛(wèi)星通信和軍事雷達(dá)測(cè)速與追蹤等領(lǐng)域的具體應(yīng)用，并以具體實(shí)例的形式介紹了多普勒效應(yīng)對(duì)人類(lèi)科學(xué)發(fā)展的重要影響。</p><p>　　關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)； 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(yīng)是多普勒于1842年在布拉格舉行的皇家西米亞學(xué)會(huì)科學(xué)分會(huì)會(huì)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(yùn)動(dòng)的影響。多普勒效應(yīng)的提出起先受到了大多人的批評(píng)和質(zhì)疑，當(dāng)時(shí)的科技水平使大多數(shù)人認(rèn)為那只是一個(gè)荒謬的思想，然而人們通過(guò)聲學(xué)中頻率的變化第一次驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)原理的正確性。最常見(jiàn)的多普

8、勒效應(yīng)是聲學(xué)的多普勒效應(yīng)，即火車(chē)汽笛變頻的實(shí)驗(yàn)，聲學(xué)的驗(yàn)證試驗(yàn)相對(duì)較簡(jiǎn)便也更容易為人們所接受，其后不久，俄羅斯科學(xué)家貝勒波爾斯基第一次用光學(xué)的方法驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)的正確性?，F(xiàn)在，多普勒效應(yīng)已經(jīng)成為普遍認(rèn)同并且開(kāi)始廣泛應(yīng)用的規(guī)律。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國(guó)受于德國(guó)空軍的困擾，首先應(yīng)用了多普勒效應(yīng)的原理研制發(fā)明了最早期的聲學(xué)雷達(dá)，開(kāi)始了航天領(lǐng)域的一次重大變革，并且影響至今。目前，多普勒效應(yīng)技術(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域如工程技術(shù)和醫(yī)療診斷等各個(gè)方面都有著

9、十分廣泛的應(yīng)用。如醫(yī)學(xué)上用多普勒效應(yīng)形成彩色血流顯像系統(tǒng)，測(cè)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(yīng)的最大優(yōu)越點(diǎn)就是能與許多學(xué)科交叉，各科的學(xué)者巧妙地用移植的方法進(jìn)行創(chuàng)新、吸收甚至引入某</p><p>　　第二章 多普勒效應(yīng)的原理</p><p>　　本章主要介紹了多普勒效應(yīng)的原理，以下從早期雷達(dá)的應(yīng)用和聲波的多普勒效應(yīng)兩個(gè)方面進(jìn)行闡

10、述。</p><p>　　2.1多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)及早期雷達(dá)應(yīng)用</p><p>　　多普勒效應(yīng)的正式提出是1842年在布拉格舉行的皇家波西米亞學(xué)會(huì)科學(xué)分會(huì)會(huì)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(jié)論是：</p><p>　　（1）如果一個(gè)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(yùn)動(dòng)必然導(dǎo)致光的顏色和強(qiáng)度的

11、變化。</p><p>　?。?）如果在另一方面一個(gè)發(fā)光物體靜止不動(dòng)。而代之以觀察者直接朝向或者背離物體非?？焖俚倪\(yùn)動(dòng)，那么所有的這些頻率變化都會(huì)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(lái)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(qiáng)的變化，星體的方向也要變化，這樣一星體同時(shí)會(huì)在位置上發(fā)生明顯變化。[1]</p>

12、<p>　　論文首次發(fā)表出來(lái)因?yàn)闆](méi)有足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，因此被很多人質(zhì)疑和批評(píng)。1845年在荷蘭進(jìn)行的火車(chē)笛聲實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)的正確性，多普勒效應(yīng)才開(kāi)始得到廣泛重視并應(yīng)用于實(shí)際。多普勒效益的第一次應(yīng)用始于戰(zhàn)爭(zhēng)服務(wù)，第一次世界大戰(zhàn)末期，軍用飛機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)，英國(guó)由于國(guó)土面積小在遭遇空襲預(yù)警能力很弱，飽受了來(lái)自空中的洗劫。第二次世界大戰(zhàn)前期，英國(guó)物理學(xué)家羅伯特·沃森-瓦特根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理研制出了最早期的雷達(dá)，

13、在英國(guó)的東海岸建立了對(duì)空雷達(dá)警戒網(wǎng)，該雷達(dá)墻天線有100米高，能測(cè)到160千米以外的敵機(jī)，依靠這個(gè)雷達(dá)墻，英國(guó)總能及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)出德國(guó)飛機(jī)的架數(shù)、航向、速度和抵達(dá)英國(guó)本土的時(shí)間，牢牢把握住了戰(zhàn)爭(zhēng)主動(dòng)權(quán)，有效的降低了德國(guó)空軍的殺傷力，在這場(chǎng)英國(guó)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(yīng)</p><p>　　1845年荷蘭皇家氣象學(xué)院院長(zhǎng)布依斯·

14、巴洛敏感的聽(tīng)覺(jué)判斷音樂(lè)的音調(diào)變化，然后音樂(lè)家和樂(lè)手對(duì)調(diào)位置，多次實(shí)驗(yàn)觀察音調(diào)的變化，最終驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)在聲學(xué)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(yùn)動(dòng)</p><p>　　圖2-2觀察者運(yùn)動(dòng)而聲源靜止 圖2-3觀察者靜止，聲源運(yùn)動(dòng)</p><p>　　觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收

15、到的完全波的個(gè)數(shù)，當(dāng)波以速度v通過(guò)接收者時(shí)，時(shí)間t內(nèi)通過(guò)的完全波的個(gè)數(shù)為N＝vt／λ因而單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)接收者的完全波的個(gè)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(duì)于介質(zhì)靜止（）：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p

16、>　　這時(shí)觀測(cè)者聽(tīng)到的波源頻率和波源實(shí)際頻率相等。</p><p>　　波源靜止，觀察者以速度相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)（）：</p><p><b>　　（2-2）</b></p><p>　　觀測(cè)者接收到的頻率大于波源實(shí)際頻率</p><p>　　觀察者靜止，波源以速度相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)（)觀測(cè)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(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)（）：</p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　觀測(cè)者接收到的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波實(shí)際頻率。</p><p>　　第三章 多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)</p

18、><p>　　本章主要講了多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，以下從激光多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用兩個(gè)方面進(jìn)行闡述。</p><p>　　3.1 目前各大高校都在致力于多普勒效應(yīng)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究工作，主要還是圍繞多普勒效應(yīng)的聲波、光波和電磁波原理和應(yīng)用展開(kāi)。下面分別就光學(xué)、聲學(xué)和電磁學(xué)領(lǐng)域介紹具有代表性的多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　3.1.1激光多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)[3]

19、 </p><p>　　當(dāng)波源和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yīng)。 </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(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，為聲源運(yùn)動(dòng)速率，為聲源與接收器連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角</p>

20、;<p>　?。?）若聲源保持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度v運(yùn)動(dòng)，由 </p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　得到 (3-3)</p><p>　　（2）當(dāng)接收器向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)

21、，V取正，反之取負(fù) </p><p>　　(3-4) </p><p>　　圖3-1多普勒驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)</p><p>　　具體的實(shí)驗(yàn)操作步驟如下</p><p>　　1. 檢測(cè)室溫，自動(dòng)調(diào)諧頻率</p><p>　　2. 選中“多普勒效應(yīng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)”，并按“確認(rèn)”；</p>

22、;<p>　　3. 確定測(cè)試總次數(shù)，點(diǎn)“開(kāi)始測(cè)試”</p><p>　　4. 準(zhǔn)備好后，按“確認(rèn)”，儀器自動(dòng)記錄小車(chē)移動(dòng)速度及與頻率；</p><p>　　5. 通過(guò)改變砝碼的數(shù)量實(shí)現(xiàn)小車(chē)速度由大到小的改變</p><p>　　6. 完成設(shè)定的測(cè)量次數(shù)后，儀器自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)比小車(chē)速度與儀器檢測(cè)速度，儀器自身頻率與檢測(cè)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(yīng)。</p><p>　　由于激光傳播過(guò)程中具有很強(qiáng)的直線性，安裝時(shí)必須保證發(fā)射器、小車(chē)和接收器在同一水平線上。小車(chē)運(yùn)動(dòng)中遇到的阻力也在很大程度上影響小車(chē)速度，保持軌道有足夠的平滑度是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。</p><p>　　3.1.2 多普勒超聲測(cè)速實(shí)驗(yàn)[4] </p><p>　　該實(shí)驗(yàn)通過(guò)該實(shí)驗(yàn)了解超聲波多普勒效應(yīng)測(cè)速原理與多普勒頻移相關(guān)知識(shí)，以及掌握多

24、普勒超聲測(cè)速儀的原理與操作方法。</p><p>　　在無(wú)色散情況下，波在介質(zhì)中的傳播速度是恒定的，不會(huì)因波源運(yùn)動(dòng)而改變，也不會(huì)因觀察者運(yùn)動(dòng)而改變。但當(dāng)波源（或觀察者）相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的頻率卻可以改變。多普勒超聲測(cè)速儀是一套綜合性的超聲測(cè)速儀器，該儀器利用多普勒頻移效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體速度的測(cè)量，并可與光電方式測(cè)速進(jìn)行比較。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示，電機(jī)與超聲頭固

25、定于導(dǎo)軌上面，小車(chē)可以由電機(jī)牽引沿導(dǎo)軌左右運(yùn)動(dòng)，超聲發(fā)射頭與接收頭固定于導(dǎo)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(cè)速實(shí)驗(yàn) </p><p>　　3.2多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用</p><p>　　本節(jié)主要講述了多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)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(jìn)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(xué)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(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移等物理特性。應(yīng)用不同類(lèi)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(hào)，顯示各種組織及其病變的形態(tài)，結(jié)合病理學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)，觀察、分

27、析、總結(jié)不同的反射規(guī)律，而對(duì)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(guó)約一萬(wàn)五千多所縣級(jí)醫(yī)院，發(fā)展性能價(jià)格比高的中低檔彩超來(lái)裝備這類(lèi)醫(yī)院，將會(huì)對(duì)彩色多普勒診斷技術(shù)普及推廣起很大的推動(dòng)作用，其社會(huì)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(diǎn)在社區(qū)醫(yī)療，床旁超聲，急診救護(hù)，戰(zhàn)地診療等方面顯示出極大的優(yōu)越性，可彌補(bǔ)大型儀器體積大，移動(dòng)不方便的弱點(diǎn)，便于危重或急癥病人的診斷。[5]

28、醫(yī)學(xué)超聲儀器已經(jīng)在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用，但是，醫(yī)學(xué)超聲儀器的發(fā)展遠(yuǎn)還沒(méi)有到達(dá)盡頭，還有許多工作有待于工程技術(shù)人員和醫(yī)生聯(lián)合攻關(guān)去解決。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，超聲治療技術(shù)可能還會(huì)有較大的進(jìn)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(jìn)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(biāo)一直還是工程開(kāi)發(fā)人員致力研究的目標(biāo)。盡管由于超聲在人體中傳播時(shí)不可避免的存在聲衰減、波束發(fā)散等問(wèn)題,影響著系統(tǒng)性能指標(biāo)的提高，但應(yīng)該說(shuō)，在現(xiàn)有

29、基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高這些性能指標(biāo)還是有可能的。</p><p>　　3.2.2乳腺癌多普勒超聲診斷進(jìn)展</p><p>　　乳腺癌是困擾女性的最常見(jiàn)的惡性腫瘤癥狀之一，早期發(fā)現(xiàn)對(duì)于病情的改善意義重大。[3]惡性腫瘤是指活躍的不受機(jī)體限制無(wú)限生長(zhǎng)的細(xì)胞，能釋放生長(zhǎng)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(dǎo)致壁薄，缺乏基底膜和肌層，走行紊亂，迂曲，內(nèi)徑粗細(xì)不一，同時(shí)伴有官腔的狹窄和

30、堵塞，血管通透性增加，這種結(jié)構(gòu)和功能的異質(zhì)性往往累計(jì)整個(gè)血管樹(shù)，出線許多癥狀，這些特點(diǎn)為乳腺癌多普勒儀提供了病理基礎(chǔ)。CDFE（彩色多普勒血流成像）是采用直接顯示紅細(xì)胞運(yùn)動(dòng)速度的平均頻移信號(hào)，同時(shí)也接收來(lái)自組織內(nèi)部雜亂超聲頻移信號(hào)。由于信噪比較低，只能檢測(cè)出較大血管即腫瘤血管的信息，而對(duì)于低速，低流量的新生微血管無(wú)能為力。另一方面，PDI通過(guò)檢測(cè)多普勒頻譜中幅度信號(hào)技術(shù)提高了對(duì)血流的敏感度，又由于他的無(wú)角度依賴型和混疊現(xiàn)象，信噪比相對(duì)很

31、高，在檢出低速血流信號(hào)方面展露頭新。通過(guò)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(duì)乳腺腫塊的良惡性進(jìn)行劃分。還有一種是根據(jù)血管的豐富程度將血流信號(hào)進(jìn)行分級(jí)，病灶內(nèi)少量或沒(méi)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(xué)、血流動(dòng)力學(xué)指標(biāo)方面的變化為多普勒超聲鑒別乳腺腫塊性質(zhì)、評(píng)估預(yù)后提供了

32、依據(jù)，但無(wú)造影劑增強(qiáng)的多普勒超聲對(duì)低流量低速的細(xì)小血管難以顯示，不能提供腫瘤早期血管生成的信息，對(duì)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(shù)在近十年來(lái)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(tái)，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(duì)乳腺腫瘤血

33、管生成的研究進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本文以文獻(xiàn)法和理論研究法，以多普勒效應(yīng)為研究對(duì)象，得出以下三點(diǎn)結(jié)論（1）多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展，給人類(lèi)帶來(lái)的突飛猛進(jìn)的變革，尤其在軍事應(yīng)用方面表現(xiàn)更為突出，一方面多普勒效應(yīng)引導(dǎo)了軍事裝備的發(fā)展和發(fā)展方向，另一方面進(jìn)步的軍事技術(shù)又促進(jìn)了多普勒效應(yīng)不斷向更多領(lǐng)域得到更大的推廣和

34、應(yīng)用。（2）從多普勒效應(yīng)的被提出以來(lái)，人類(lèi)開(kāi)始逐步意識(shí)到并應(yīng)用于對(duì)生產(chǎn)生活和綜合國(guó)力的改善，如[6]英國(guó)首次利用聲納技術(shù)將不可一世的海底幽靈德國(guó)潛艇幾乎消滅殆盡，改變了世界戰(zhàn)爭(zhēng)格局。其后重點(diǎn)介紹了多普雷效應(yīng)在各個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，任何科技成果，只有在真正的應(yīng)用于實(shí)際之后才能顯示它的魅力。（3）對(duì)于多普勒效應(yīng)迅速發(fā)展階段而言，還是依賴于近年來(lái)科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展和滲透，比如電子技術(shù)，數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用。歷史證明，多普勒效應(yīng)在探測(cè)未知領(lǐng)域方面表

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

36、。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 特瑞恩著.王仕康等譯.激光多普勒技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社，1985:245-278</p><p>　　[2] 陳思平, 程敬之.中國(guó)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào), 1991：10-11</p><p>　　[3] 蘇景順，范虹．光波多普勒效應(yīng)的簡(jiǎn)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(dǎo)航方法[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(1):73-75. </p><p>　　[5] Guy .Morris, Linda L. Harkness. Airborne Pu