多普勒效应

1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，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现象。这就是频移现象。因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。
二、多普勒效应在超声波流量测量领域的应用
   假设，超声波波束与流体运动速度的夹角为，超声波传播速度为c，流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同，均为u．现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例，导出声波多普勒频差与流速的关系式．如图所示，当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒，该粒子以速度u沿营轴线运动．对超声波发射器而言，该粒子以u cos a的速度离去，所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1，降低的数值为
             f2－f1＝－ f1  
即粒子收到的超声波频率为
             f2＝f1－ f1    
式中   f1――发射超声波的频率；
a――超声波束与管轴线夹角；
c――流体中声速。
固体粒子又将超声波束散射给接收器，由于它以u cos a 的速度离开接收器，所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低，类似于f2的计算，f3可表示为
            f3＝f2－ f2  
将f2的表达式代入上式，可得：
            f3＝f1（1－ )2
             ＝f1（1－2 ＋ ）
由于声速c远大于流体速度u，故上式中平方项可以略去，由此可得：
            f3＝f1（1－2 ）  
接收器收到的超声波频率与发射超声波频率之差，即多普勒频移 f1，可由下式计算：
         f＝f1－f3＝f1－f1（1－2 ）
                ＝f1  
            u＝ f    
体积流量qv可以写成：
         qv＝uA＝ f  
式中，A为被测管道流通截面积．
   出以上流量方程可知，当流量计、管道条件及被测介质确定以后，多普勒频移与体积流量成正比，测量频移 f就可以得到流体流量qv。