基本介紹
- 中文名：都卜勒頻移
- 外文名：Doppler Shift
- 表達式：fo=(fs*v)/(v±vs)
- 提出者：克里斯琴·都卜勒·約翰
- 提出時間：1842年
- 套用學科：物理
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相關概念
都卜勒效應
都卜勒效應Doppler effect）是為紀念奧地利物理學家及數學家克里斯琴·約翰·都卜勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他於1842年首先提出了這一理論。主要內容為物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移blue shift）；在運動的波源後面時，會產生相反的效應。波長變得較長，頻率變得較低（紅移red shift）；波源的速度越高，所產生的效應越大。根據波紅（藍）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。
圖1 都卜勒效應示意圖
圖1 都卜勒效應示意圖都卜勒頻移定義
都卜勒效應造成的發射和接收的頻率之差稱為都卜勒頻移。它揭示了波的屬性在運動中發生變化的規律。
圖2 聲波的都卜勒效應引起的都卜勒頻移
圖2 聲波的都卜勒效應引起的都卜勒頻移都卜勒頻移及信號幅度的變化等如圖2所示。當火車迎面駛來時，鳴笛聲的波長被壓縮（如圖2右側波形變化所示），頻率變高，因而聲音聽起來尖利刺耳。當火車遠離時，聲音波長就被拉長（如圖2左側波形變化所示），頻率變低，從而使得聲音聽起來減緩且低沉。
這種現象也存在於其他類型的波中，例如光波和電磁波。科學家們觀察發現，從外太空而來的光波，其頻率在不斷變低，既向頻率較低的紅色波段靠攏，這是光波遵從都卜勒效應從而引起都卜勒頻移的例證。對於電磁波，高速運動的物體上（例如高鐵）進行無線通信，會出現信號質量下降等現象，就是電磁波存在都卜勒頻移現象的實例。
原理
如果把聲波視為有規律間隔發射的脈衝，可以想像若你每走一步，便發射了一個脈衝，那么在你之前的每一個脈衝都比你站立不動時更接近你自己。而在你後面的聲源則比原來不動時遠了一步。或者說，在你之前的脈衝頻率比平常變高，而在你之後的脈衝頻率比平常變低了。
所謂都卜勒效應就是當發射源與接收體之間存在相對運動時，接收體接收的發射源發射信息的頻率與發射源發射信息頻率不相同，這種現象稱為都卜勒效應，接收頻率與發射頻率之差稱為都卜勒頻移。聲音的傳播也存在都卜勒效應，當聲源與接收體之間有相對運動時，接收體接收的聲波頻率
與聲源頻率
存在都卜勒頻移
即為，
當接收體與聲源相互靠近時，接收頻率 大於發射頻率 即：
；
當接收體與聲源相互遠離時，接收頻率 小於發射頻率 即：
。
公式
可以證明若接收體與聲源相互靠近或相互遠離的速度為v，聲速為c，則接收體接收聲波的都卜勒頻率為，
f'= f·(c+-v1)/(c-+v2)
接收體和發射源的頻率關係為，
其中，
為接收到的頻率，
為發射源於該介質中的原始發射頻率，
為波在該介質中的行進速度；
為接收端相對於介質的移動速度，若接近發射源則前方運算符號為+號，反之則為−號；
為發射源相對於介質的移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為−號，反之則為+號。
都卜勒效應示意圖
都卜勒效應示意圖當移動台以恆定的速率v在長度為d，端點為X和Y的路徑上運動時收到來自遠端源S發出的信號，如圖3所示。
無線電波從源S出發，在X點與Y點分別被移動台接收時所走的路徑差為：
由於路徑差造成的接收信號相位變化值為：
由此可得出頻率變化值，即都卜勒頻移為：
由此可知，都卜勒頻移與移動台運動速度及移動台運動方向以及無線電波入射方向之間的夾角有關。若移動台朝向入射波方向移動，則都卜勒頻移為正，導致接收頻率上升。若移動台背向入射波方向運動，則都卜勒頻移為負，接收頻率下降。信號經不同方向傳播，其多徑分量造成接收機的都卜勒擴散，因而增加了信號頻寬。
套用實例
醫療套用
聲波的都卜勒效應也可以用於醫學的診斷，也就是我們平常說的彩超。彩超簡單的說就是高清晰度的黑白B超再加上彩色都卜勒，首先說說超聲頻移診斷法，即D超，此法套用都卜勒效應原理，當聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈衝都卜勒、連續都卜勒和彩色都卜勒血流圖像。彩色都卜勒超聲一般是用自相關技術進行都卜勒信號處理，把自相關技術獲得的血流信號經彩色編碼後實時地疊加在二維圖像上，即形成彩色都卜勒超聲血流圖像。由此可見，彩色都卜勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結構圖像的優點，又同時提供了血流動力學的豐富信息，實際套用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽為“非創傷性血管造影”。
