汽笛声变调的启示--多普勒雷达原理

字体 2014-10-01 14:05:33      来源: 中国天气网

1842年一天,奥地利数学家多普勒路过铁路交叉处,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车由远而近时汽笛声变响,音调变尖(注:应为“汽笛声的音频频率变高”);而火车由近而远时汽笛声变弱,音调变低(应为“汽笛声的音频频率降低了”)。他对这种现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的缘故,称为频移现象。因为这是多普勒首先提出来的,所以称为多普勒效应。

由于缺少实验设备,多普勒当时没有用实验进行验证。几年后有人请一队小号手在平板车上演奏,再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化,验证了该效应。

为了理解这一现象,需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播过程中表现出的是声波波长缩短,好像波被“压缩”了。因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好像波被“拉伸”了。因此,汽笛声听起来就显得低沉。

用科学语言来说,就是在一个物体发出一个信号时,当这个物体和接收者之间有相对运动时,虽然物体发出的信号频率固定不变,但接收者所接收到的信号频率相对于物体发出的信号频率出现了差异。多普勒效应也可以用波在介质中传播的衰减理论解释,波在介质中传播,会出现频散现象,随距离增加,高频向低频移动。

多普勒效应不仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括电磁波。

多普勒效应被发现以后,直到1930年左右,才开始应用于电磁波领域中。

常见的一种应用是医生检查就诊人用的“彩超”,就是利用了声波的多普勒效应。简单地说,“彩超”就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒。超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号,向人体心血管器官发射,当超声波束遇到运动的脏器和血管时,便产生多普勒效应,反射信号为换能器所接受,根据反射波与发射波的频率差可以求出血流速度,根据反射波的频率是增大还是减小判定血流方向。

20世纪40年代中期,也就是多普勒发现这种现象之后大约100年,人们才将多普勒效应应用于雷达上。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位,测速,测距等的雷达。当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时,如遇到活动目标,回波的频率与发射波的频率出现频率差(称为多普勒频率),根据多普勒频率的大小,可测出目标对雷达的径向相对运动速度;根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标的距离。20世纪70年代以来,随着大规模集成电路和数字处理技术的发展,多普勒雷达广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面,成为重要的军事装备以及科学研究、业务应用装置。

多普勒天气雷达,是以多普勒效应为基础,当大气中云雨等目标物相对于雷达发射信号波有运动时,通过测定接收到的回波信号与发射信号之间的频率差异就能够解译出所需的信息。它与过去常规天气雷达仅仅接收云雨目标物对雷达发射电磁波的反射回波进了一大步。这种多普勒天气雷达的工作波长一般为5~10厘米,除了能起到常规天气雷达通过回波测定云雨目标物空间位置、强弱分布、垂直结构等作用,它的重大改进在于利用多普勒效应可以测定降水粒子的运动速度,从而推断降水实体速度分布、风场结构特征、垂直气流速度等,这对研究降水的形成、分析中小尺度天气系统、警戒强对流天气等具有重要意义,这是以往天气雷达做不到的。因此,被称为智能型探测系统。

查天气
关注“中国天气网”微信公众号
编辑:李菁 转载请注明“来源:中国天气网”

继续阅读

更多>> 生活旅游

  • 霜降养生:调养脾胃是关键 健脾最好是山药
  • 秋季天天洗澡对身体危害大
  • 护肤的黄金法则 让BB秋天拥有好肌肤
  • 只想带他去看看这广阔的世界
  • 那些与海相伴的日子里 你还好吗
  • 最有远见的摄影作品