Эффект Доплера в акустике и оптике

Размещено на http://www.allbest.ru

Эффект Доплера в акустике

Уже древние физики знали, что звук движется медленнее света, во всяком случае, что скорость звука конечна (т.е. ограничена по величине). Но что любопытно: ни один ученый древности не отмечает еще одно явление, связанное с распространением волн, а именно изменение высоты звука при перемещении его источника относительно слушателя. В нашу эпоху этот факт, известный как эффект Доплера, регистрируется и используется в случае не только звуковых волн, но и электромагнитных.

Пусть источник звука неподвижен, а приемник движется к нему со скоростью (рис.1,а). Если в данный момент времени расстояние между источником и приемником х, то на нем уместилось бы число волн , где - длина волны, излучаемой источником, - частота излучения, c - скорость звука. Но пока приемник доберется до источника, пройдет дополнительное время , и за это время источник излучит еще волн. Итого, приемник зарегистрирует колебаний, что равносильно частоте

Перепишем эту зависимость в безразмерном виде (1):

Теперь поменяем местами приемник и источник звука (рис. 1,б). Пусть приемник звука неподвижен, а источник движется к нему со скоростью . При этом длина волны в неподвижном воздухе уменьшается:

где л - длина волны в случае неподвижного источника (при = 0). (Отсюда, видно, например, что при = с получим : «хвост» волны догоняет ее «голову».)

Тогда неподвижный приемник будет «слышать» звуковую волну , которой соответствует частота

или в безразмерном виде (2):

На рисунке 2 изображены графики, соответствующие выражениям (2) и (1). Отметим характерные особенности кривых АВ и ED. При (источник и преёмник неподвижны относительно воздуха) частота звука не искажается: . При (кривая 1В) источник все быстрее налетает на приемник, частота звука растет: бас, излучаемый источником, воспринимается как комариный писк, при еще больших скоростях становится ультразвуком, а при уже не достигает источника. Невозможно, например, услышать сверхзвуковой самолет, пока он не долетит до приемника лично. Если же становится отрицательной величиной, т.е. источник звука удаляется от приемника (кривая A1), воспринимаемый звук оказывается ниже испускаемого.

В случае приближения приемника к источнику звука частота принимаемого звука растет (участок 1D), в случае удаления падает, причем в этом последнем случае улетающий приемник будет обгонять волны в обратном порядке (см. штриховой участок прямой 1Е при ). Конечно, в окрестностях точек должно происходить еще что-то интересное, ведь в воздухе перед приемником может возникнуть скачок уплотнения, который должны будут преодолевать звуковые волны, прежде чем попасть в регистрирующий их приемник, так что потребуется уточнение теории. Ибо в этом скачке все параметры газа (давление, температура и плотность) отличаются от атмосферных.

Посмотрим, как на деле «работают» полученные формулы. Пусть по мосту через пропасть между двумя участками туннеля движется поезд (рисунок 3) со скоростью , a его свисток излучает звук частотой . Прежде всего, согласно формулам (1) и (2), неподвижные наблюдатели А и Б будут воспринимать звуки с частотами ) и . Эти частоты изображены на рисунке 3 вверху в виде отрезков, высота которых качественно характеризует интенсивность звука. Ясно, что для наблюдателей А и Б эта интенсивность меньше, чем для машиниста М просто оттого, что звуковые волны расходятся во все стороны. Дойдя до стенок туннеля (предполагаем, что они вертикальны), звуковые волны отражаются, и их, в принципе, могут зарегистрировать все три наблюдателя. Волны, отраженные от правой стенки, придут к А, Б и М с частотами , , , потому что эта правая стенка служит как бы излучателем звука частотой . Левая стенка служит излучателем звука частотой и снабжает неподвижных слушателей звуками той же частоты: , , а удаляющийся от этой стенки наблюдатель М услышит звук частотой . Учитывая многократные отражения свистка паровоза от вертикальных стенок туннеля, можно обогатить палитру звуков, воспринимаемых тремя наблюдателями.

Выше уже было упомянуто, что частота принимаемого звука совпадает с частотой излучаемого (), только если приемник и источник неподвижны относительно воздуха, именно относительно воздуха, а не относительно друг друга. Действительно, если, например, источник движется за приемником вправо, и оба они движутся со скоростью звука (следовательно, их относительная скорость равна нулю), то излучаемый звук никогда не достигнет приемника, где уж тут говорить о неискаженной частоте! Это происходит потому, что звуковые волны распространяются в материальной среде, обладающей инертностью (и упругостью). В этом случае важно подчеркивать, что движется относительно среды приемник или излучатель волн, поэтому выше и получились различные формулы для принимаемой частоты.

Другое дело оптика. Тут определяющую роль играет именно относительная скорость V приемника и источника. Не вдаваясь в тонкости преобразований Лоренца, приведем окончательный результат (3):

Здесь знак «плюс» соответствует случаю сближения приемника и излучателя электромагнитных волн, «минус» удаления их друг от друга, с - теперь уже скорость света (а не звука), а для относительной скорости специально использована другая буква, а именно V (а не ), чтобы еще раз подчеркнуть отличие оптики от акустики.

Соответствующая выражению (3) кривая изображена на рисунке 2 трих-пунктиром (тут-то и видна польза безразмерных переменных: и оптика и акустика уместились на одном графике, хотя масштабы скоростей распространения световых и звуковых волн отличаются в миллион раз).

Примечание. Температурный коэффициент скорости звука показывает, на сколько метров в секунду увеличивается скорость звука в веществе при повышении его температуры на 1?C. Знак минус показывает, что данная жидкость имеет отрицательный температурный коэффициент скорости. Это значит, что при увеличении температуры скорость звука в жидкости уменьшается. Исключение - вода, при повышении температуры от 0 до 74?C скорость звука в ней увеличивается. Наибольшая скорость звука в воде при 74?C равна 1555,5 м/с.

Эффект Доплера в оптике

Оптический эффект Доплера состоит в изменении регистрируемой частоты электромагнитных волн в случае относительного движения приемника и источника излучения. В отличие от классического эффекта Доплера, наблюдаемого при распространении волн (например, звуковых) в среде, величина сдвига частоты электромагнитного излучения в вакууме не зависит от того, какой из объектов движется: источник или приемник. Строго говоря, при распространении волн в вакууме сама постановка вопроса о том, какой из объектов движется на самом деле, не является правомерной, поскольку противоречит принципу относительности. Второе отличие от классического эффекта Доплера состоит в том, что сдвиг частоты излучения наблюдается не только в случае движения источника или приемника вдоль направления распространения волн ("продольный эффект Доплера), но и при их движении в перпендикулярном распространению электромагнитной волны направлении (так называемый поперечный эффект Доплера). В последнем случае эффект обусловлен релятивистским эффектом увеличения интервалов времени при движении объекта относительно наблюдателя, сдвиг частоты оказывается квадратичной функцией от скорости.

Для получения простых выражений для продольного и поперечного эффектов Доплера в оптике достаточно исключить из преобразований Лоренца для частоты х-компоненту волнового вектора, воспользовавшись связью его модуля с частотой (1.40-1.41):

В случае удаления наблюдателя от источника с нерелятивистской скоростью, направленной вдоль направления распространения света сдвиг частоты оказывается пропорционален первой степени отношения скорости движения к скорости света. Точно такой же эффект наблюдается и в случае удаления источника от наблюдателя. Рассмотренный случай носит название продольного или линейного эффекта Доплера в оптике (1.42):

Продольный эффект Доплера может быть продемонстрирован на эксперименте по наблюдению спектра излучения ртутной лампы. После зажигания ртутной лампы высокого давления при помощи интерферометра Фабри-Перо удается разрешить желтый дуплет ртути. Однако, после нескольких минут горения лампы по мере ее разогрева наблюдаемая картина полностью размывается. Это происходит из-за доплеровского уширения спектральных линий, вызванного усиливающимся хаотическим движением излучающих свет атомов.

При движении наблюдателя перпендикулярно направлению на источник (или при аналогичном движении источника) поправка к частоте оказывается пропорциональна квадрату отношения скорости движения к скорости света (1.43). Этот, не имеющий аналога в классической физике эффект называютпоперечным или квадратичным эффектом Доплера.

С оптическим эффектом Доплера обычно связывают такое глобальное астрофизическое явление, как красное смещение звезд и галактик: экспериментально наблюдаемый сдвиг спектров удаленных самосветящихся космических объектов в область низких частот. Согласно данным измерений, величина сдвига частоты оказывается пропорциональной расстоянию до космического объекта (закон Хаббла), что, по-видимому, свидетельствует о наличии глобального расширения Вселенной, происходящего так, что скорость относительного удаления любой пары ее объектов пропорциональна расстоянию между ними.

Эффект аберрации звездного неба может быть рассмотрен на основании преобразований Лоренца для компонент волнового вектора. из которых следуют соотношения для связи направляющих косинусов волнового вектора, регистрируемого неподвижным и движущимся наблюдателем. Периодическое изменение направления движения Земли приводит к соответствующему изменению регистрируемых углов, определяющих видимое направление распространения излучения от звезд, что и приводит к наблюдаемому эффекту.

скорость звук доплер оптический

Использованная литература

1) Стасенко А. Свист поезда и свет галактик. - журнал “Квант” №1 2002

2) Енохович А. С. Краткий справочник по физике. - 2-е изд. - М.: Высшая школа, 1976

3) Джанколи Д. Физика: В 2-х т. Т. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989

Размещено на Allbest.ru