Введение
Изменение частоты волны для наблюдателя относительно ее источника
Эффект Допплера (также доплеровский сдвиг) — это изменение частоты волны по отношению к наблюдателю, движущемуся относительно источника волны. Эффект Допплера назван в честь физика Кристиана Допплера, описавшего это явление в 1842 году. Распространенным примером доплеровского сдвига является изменение высоты тона, воспринимаемое при приближении и удалении транспортного средства, издающего звуковой сигнал. По сравнению с излучаемой частотой, принимаемая частота выше при приближении, идентична в момент обгона и ниже при удалении. Когда источник звуковой волны движется к наблюдателю, каждый последующий цикл волны испускается из точки, более близкой к наблюдателю, чем предыдущий. Следовательно, с точки зрения наблюдателя, время между циклами уменьшается, что означает увеличение частоты. И наоборот, если источник звуковой волны удаляется от наблюдателя, каждый цикл волны испускается из точки, более удаленной от наблюдателя, чем предыдущий, поэтому время между последовательными циклами увеличивается, что приводит к уменьшению частоты. Для волн, распространяющихся в среде, таких как звуковые волны, скорости наблюдателя и источника отсчитываются относительно среды, в которой волны передаются. Гипотеза была проверена для звуковых волн Баюсом Баллотом в 1845 году. Он подтвердил, что высота тона была выше излучаемой частоты при приближении источника звука и ниже при его удалении. Гипполит Физо независимо открыл то же явление для электромагнитных волн в 1848 году (во Франции эффект иногда называют «эффектом Допплера — Физо», но это название не получило распространения, поскольку открытие Физо было сделано через шесть лет после предложения Допплера). В Великобритании Джон Скотт Расселл провел экспериментальное исследование эффекта Допплера в 1848 году.
Профилировщик тока доплеровского тока
Акустический доплеровский профилировщик течений (ADCP) – это гидроакустический измеритель течений, аналогичный сонару, используемый для измерения скорости движения воды в диапазоне глубин, основанный на эффекте Доплера звуковых волн, рассеивающихся от частиц в водной толще. Термин ADCP является обобщающим для всех акустических профилировщиков течений, хотя аббревиатура произошла от серии приборов, представленных компанией RD Instruments в 1980-х годах. Диапазон рабочих частот ADCP составляет от 38 кГц до нескольких мегагерц. Устройство, используемое в воздухе для профилирования скорости ветра с помощью звука, известно как SODAR и работает по тем же базовым принципам.
Робототехника
Динамическое планирование траектории в реальном времени в робототехнике, помогающее перемещению роботов в сложной среде с движущимися препятствиями, часто использует эффект Доплера. Такие приложения особенно востребованы в соревновательной робототехнике, где окружающая среда постоянно меняется, например, в робофутболе.
Сирены
Сирена на проезжающем автомобиле экстренных служб начинается с более высокой частоты, чем её стационарная, понижается по мере приближения и продолжает понижаться ниже стационарной частоты по мере удаления от наблюдателя. Астроном Джон Добсон объяснил этот эффект следующим образом:
Причина, по которой сирена скользит, заключается в том, что она не сталкивается с вами. Иными словами, если бы сирена приближалась к наблюдателю напрямую, частота оставалась бы постоянной, выше стационарной, до момента столкновения автомобиля с ним, а затем мгновенно перескочила бы на новую, более низкую частоту. Поскольку автомобиль проезжает мимо наблюдателя, радиальная скорость не остаётся постоянной, а изменяется в зависимости от угла между линией взгляда наблюдателя и скоростью сирены:
где – это угол между направлением движения объекта и линией взгляда от объекта к наблюдателю.
Астрономия
Эффект Доплера для электромагнитных волн, таких как свет, широко используется в астрономии для измерения скорости, с которой звезды и галактики приближаются или удаляются от нас, что приводит к так называемому синему или красному смещению соответственно. Это может быть использовано для обнаружения, является ли кажущаяся одиночная звезда на самом деле близкой двойной системой, для измерения скорости вращения звезд и галактик или для обнаружения экзопланет. Этот эффект обычно проявляется в очень малом масштабе; невооруженным глазом не будет заметной разницы в видимом свете. Использование эффекта Доплера в астрономии зависит от знания точных частот дискретных линий в спектрах звезд. Среди ближайших звезд наибольшие радиальные скорости относительно Солнца составляют +308 км/с (BD 15°4041, также известная как LHS 52, находящаяся на расстоянии 81,7 световых лет) и −260 км/с (Woolley 9722, также известная как Wolf 1106 и LHS 64, находящаяся на расстоянии 78,2 световых лет). Положительная радиальная скорость означает, что звезда удаляется от Солнца, отрицательная – что она приближается. Красное смещение также используется для измерения расширения Вселенной. Иногда утверждается, что это не совсем эффект Доплера, а является следствием расширения пространства. Однако такое представление может быть обманчивым, поскольку расширение пространства – это лишь математическая условность, соответствующая выбору системы координат. Наиболее естественной интерпретацией космологического красного смещения является то, что это действительно сдвиг, вызванный эффектом Доплера. Далекие галактики также демонстрируют собственные движения, отличные от их космологического удаления. Если красное смещение используется для определения расстояний в соответствии с законом Хаббла, то эти собственные движения приводят к искажениям в распределении красного смещения.
Медицинская
Эхокардиограмма позволяет, в определенных пределах, точно оценить направление кровотока и скорость движения крови и сердечной ткани в любой произвольной точке, используя эффект Доплера. Ограничением является необходимость максимально возможного параллелизма ультразвукового луча и направлению кровотока. Измерение скорости позволяет оценить площади и функцию сердечных клапанов, аномальные сообщения между левой и правой половинками сердца, обратный ток крови через клапаны (клапанная регургитация) и рассчитать сердечный выброс. Для повышения точности измерения скорости или других параметров, связанных с кровотоком, может использоваться контрастное ультразвуковое исследование с применением газонаполненных микропузырьковых контрастных веществ. Несмотря на то, что термин "Допплер" в медицинской визуализации стал синонимом "измерения скорости", во многих случаях измеряется не частотное смещение (сдвиг Доплера) принятого сигнала, а фазовый сдвиг (момент прихода принятого сигнала). Измерение скорости кровотока также применяется в других областях медицинской ультрасонографии, таких как акушерство и неврология. Оценка скорости кровотока в артериях и венах на основе эффекта Доплера является эффективным методом диагностики сосудистых заболеваний, например, стеноза.
Измерение потока
Для измерения скоростей в потоке жидкости были разработаны такие приборы, как лазерный допплеровский вектометр (LDV) и акустический допплеровский вектометр (ADV). LDV излучает световой луч, а ADV – ультразвуковой акустический импульс, и измеряют доплеровский сдвиг в длинах волн отражений от частиц, движущихся вместе с потоком. Истинная скорость потока вычисляется как функция скорости и фазы жидкости. Эта техника позволяет проводить бесконтактные измерения потока с высокой точностью и высокой частотой.
Измерение профиля скорости
Первоначально разработанная для измерения скорости в медицинских приложениях (например, кровотока), ультразвуковая допплеровская велоциметрия (УДВ) позволяет в режиме реального времени измерять полный профиль скорости практически в любой жидкости, содержащей взвешенные частицы, такие как пыль, газовые пузырьки и эмульсии. Потоки могут быть пульсирующими, колеблющимися, ламинарными или турбулентными, стационарными или нестационарными. Эта техника полностью неинвазивна.
Спутниковая навигация
Допплеровский сдвиг может быть использован в спутниковых навигационных системах, таких как Transit и DORIS.
Аудио
Громкоговоритель Лесли, наиболее часто ассоциируемый и преимущественно используемый с знаменитым органом Хаммонда, использует эффект Доплера, вращая с помощью электродвигателя акустический рупор вокруг динамика и направляя звук по кругу. В результате, слушатель воспринимает быстро меняющиеся частоты звучания клавишного инструмента.
Измерение вибрации
Лазерный доплеровский виброметр (LDV) – это бесконтактный прибор для измерения вибраций. Лазерный луч LDV направляется на интересующую поверхность, а амплитуда и частота вибраций определяются по доплеровскому сдвигу частоты лазерного луча, вызванному движением этой поверхности.
Биология развития
Во время сегментации эмбрионов позвоночных волны экспрессии генов распространяются по пресомитной мезодерме – ткани, из которой формируются предшественники позвонков (сомиты). Новый сомит формируется, когда волна достигает переднего конца пресомитной мезодермы. У данио-рерио было показано, что укорочение пресомитной мезодермы в процессе сегментации приводит к эффекту, подобному доплеровскому, поскольку передний конец ткани входит в волну. Этот эффект влияет на период сегментации.
Обратный эффект Доплера
С 1968 года ученые, такие как Виктор Веселаго, высказывали предположения о возможности существования обратного эффекта Допплера. Величина доплеровского сдвига зависит от показателя преломления среды, в которой распространяется волна. Некоторые материалы способны к отрицательному преломлению, что должно приводить к доплеровскому сдвигу, действующему в направлении, противоположном обычному эффекту Допплера. Первый эксперимент, зафиксировавший этот эффект, был проведен Найджелом Седдоном и Тревором Беарпарком в Бристоле, Великобритания, в 2003 году. Впоследствии обратный эффект Допплера был наблюдаем в некоторых неоднородных материалах и предсказан внутри конуса Вавилова — Черенкова.