生活中的“多普勒現象”

韓吉辰

你可能發現，當飛馳的火車接近我們時，其汽笛的轟鳴聲會非常尖銳刺耳，而當離開我們時汽笛的轟鳴聲會一下子低沉下去，汽笛轟鳴聲的音調變化是非常明顯的，同樣的情況還有疾駛警車的警笛聲和賽車的發動機聲。這有什么奇怪的嗎?難道這里還有什么奧秘嗎?是的，科學家從這種熟視無睹的日常現象中發現了非常重要的科學規律：這種由于聲源運動而引起音調變化的現象，在物理學上被稱為“多普勒現象”。

飛馳而來的火車……

奧地利物理學家多普勒生于1803年，是薩爾茨堡一名石匠的兒子，父母本來期望他子承父業，可是他自小體弱多病，無法當一名石匠。他們接受了一位數學教授的意見，讓多普勒到維也納理工學院學習數學，畢業后又到維也納大學學習高級數學、天文學和力學。

那是1842年的一天，多普勒帶著小女兒在鐵道旁散步時，就注意到了當波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的波頻會改變。經過認真思考，他首先提出了這一理論：聲波頻率在聲源移向觀察者時變高，而在聲源遠離觀察者時變低。在那個時代，根本沒有精密儀器能夠量度出那些音調的變化。反對的人不屑地認為：這不過是聽者耳朵的一種錯覺罷了。

面對權威的反對，多普勒想最好的辦法就是利用實驗來驗證。在那個時代，沒有儀器能夠量度出那些變化，多普勒想出了一個“笨”方法：請有經驗的樂手親耳辨別。他請一些樂手在飛馳的火車上露天奏出一定音調的樂音，請另一些樂手在月臺上記下火車接近和離開時聽到的音調高度。反復實驗以后，結果出來了：支持“多普勒效應”的存在!

那么“多普勒效應”的原理是什么呢?原來我們耳朵聽到的所謂“音調”是由聲音的頻率(每秒鐘聲源振動的次數)決定的，頻率高的音調就會尖銳，頻率低的音調就會低沉。當波源和觀察者相對靜止時，1秒內通過觀察者耳朵的波峰的數目(叫做“頻率”)是一定的，觀察者聽到的頻率等于波源振動的頻率。也就是說：聽到的是“原聲”。

當波源向觀察者快速運動(或觀察者向波源快速運動)時，1秒內通過觀察者耳朵的波峰數目就會增加，這時觀察者聽到的聲音頻率增加，頻率高的聲波音調就尖銳一些：反之，當波源和觀察者互相遠離時，觀察者聽到的頻率變小，頻率小的聲波音調就低沉。其實，這時波源發出的聲音頻率始終如一，但在運動中觀察者耳朵接收到的頻率卻發生了變化，這就是“多普勒現象”的簡單原理。

“多普勒現象”在醫學上的應用

20世紀80年代以來，超聲診斷技術(B超)以驚人的速度發展，它與cT、核磁共振、同位素掃描一樣，成為現代醫學四大影像診斷技術之一。B型超聲檢查，俗稱“B超”，是患者在醫院就診時經常接觸到的醫療檢查項目。在臨床上它被廣泛應用于心內科、消化內科、泌尿科和婦產科疾病的診斷。

超聲多普勒技術在臨床上的應用不斷增多，比如近年來迅速發展起來的超聲脈沖多普勒檢查儀，當聲源或反射界面移動時，比如當紅細胞流經心臟大血管時，從其表面散射的聲音頻率發生改變，由這種頻率偏移可以知道血流的方向和速度，如紅細胞朝向探頭時，根據多普勒原理，反射的聲頻則提高，如紅細胞離開探頭時，反射的聲頻則降低。通過精密電腦的分析，可以發現很多與病情有關的數據。

心臟彩色多普勒正是應用這種原理，把心臟血流描繪得惟妙惟肖，成為目前世界上最先進的超聲診斷設備。心臟彩色多普勒是一種非侵入性檢查心臟病的重要技術之一，對病人無痛苦，無損害，方法簡便，可重復多次，顯像清晰，診斷準確率高，易普及推廣，已成為現代臨床醫學中不可缺少的診斷工具，是診斷心臟病特別是先天性心臟病的有效方法。

你有沒有過這樣經歷?靜脈注射時由于血管不好找，只得強忍疼痛，被扎了一次又一次!普通人尚且如此，對那些患有脫水癥、心臟病及過度肥胖者來說，靜脈注射更是苦不堪言。還有當醫師治療嚴重外傷病人時，每一秒都彌足珍貴。然而，各種創傷、燒傷經常使人“血肉模糊”，細小的靜脈難于被定位，用于挽救生命的藥品難以注射。

現在好了，一種采用多普勒超聲波技術的新型注射器試驗成功了。原來，在我們的皮膚結構中，表皮、皮下組織等都是靜態的，而血管中流動的血液則是動態的。利用這個原理，多普勒超聲波能夠探測到流動著血液的血管的精確位置，提供了關鍵的三維信息，這樣就可以為針頭定位。在注射時，這種注射器可以根據血液的流向判斷出靜脈和動脈，當發現靜脈時，指示器亮，醫護人員就可以進行靜脈注射了。

“多普勒現象”用于測速

“射門!”綠蔭場上足球比賽激烈進行，運動員抬腳射門，“中了!中了!關鍵的一球，足球以128千米時速，像飛火流星一樣，射進大門!”解說員聲嘶力竭地呼喊著。那么，解說員是怎么知道足球的速度呢?原來，這是“多普勒測速雷達”告訴他的。

雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設備。電磁波同聲波一樣，遇到障礙物也要發生反射，雷達就是利用電磁波的這個特性工作的。利用“多普勒現象”，可以知道物體的運動方向和即時速度。“多普勒測速雷達”的結構，主要由電磁波發射器、電磁波接收器、微型電腦以及數碼顯示器(打印機)組成，當然還需要穩定的電源設備。有一種袖珍“測速槍”，外型極像一只手槍，可以非常方便地用手拿著，操作十分簡單，它也有槍筒、手柄、扳機和電源等部件。有效測速距離為500～800米，誤差小于2％。

測速雷達在城市交通管理中也發揮著獨特的作用，還可以測量幾十千米外，甚至上百千米外的飛機和云層，在一定條件下反映出大氣風場、氣流垂直速度的分布以及湍流情況，這對研究降水的形成，警戒強對流天氣等具有重要意義。對強雷暴的偵察率是96％，對龍卷風的發現率是83％，對龍卷風警告的平均預警時間是18分鐘。

移動通信避免“多普勒效應”

“多普勒現象”的用途廣泛，但是也有對我們不利的時候。在過去手機的使用中，經常發生這樣的情況，當汽車飛速行駛時，正在通話的手機會突然“掉線”。這個罪魁禍首是誰呢?正是大名鼎鼎的“多普勒效應”。

原來在移動通信中，當移動臺(手機)移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低，這種“頻率偏移”與相對運動的速度成正比，很影響手機信號的質量甚至導致“掉線”，所以我們在移動通信中要充分考慮“多普勒效應”的影響。當然，由于日常生活中，我們移動速度有限，一般不會帶來十分大的頻率偏移，但是在疾駛的汽車、火車上，就會給移動通信帶來一定的影響。為了避免這種影響造成通信出問題，我們不得不在技術上加以考慮。目前我國的科技成果，實現了每小時431千米以內的速度下，移動通信系統的連續穩定通信。這是目前國際上完成的最高速度下的演示，也為全球通信業解決了一大難題。

在衛星移動通信中，“多普勒效應”的影響就更加明顯了。這時無線電波的發射源和接收器之間，相對速度極快。這樣，如果接收器移向衛星時，頻率就變高，遠離衛星時，頻率就變低，而且由于飛機或各種航天器的本身速度也十分快，這些“頻率偏移”的變化非同小可!所以我們在衛星移動通信中，必須充分考慮“多普勒效應”的負面影響。

科學家深入研究發現，“多普勒效應”的意義遠不止于此，它適用于所有類型的波，包括光波、電磁波甚至機械波，還有很多潛在的用途，在很多研究領域有著不可替代的作用呢!(文章代碼：1408)