堂前燕
物理 · 高中 /初中 · 波动 · 声学 · 相对运动 · 音爆

多普勒效应

移动声源前方波被挤压,后方被拉伸 —— 救护车驶过为什么音调先高后低就是这个原理。

公式

声源以速度 vsv_s 向观察者运动(声速 cc),观察到的频率:

f=f0ccvsf' = f_0 \cdot \frac{c}{c - v_s}

远离时:

f=f0cc+vsf' = f_0 \cdot \frac{c}{c + v_s}

声速 c340c \approx 340 m/s。

救护车经过

你站在路边,救护车的鸣笛先压缩、后拉伸。所以经过你瞬间,音调从”高”骤降到”低”。

这就是为什么救护车从远处呼啸而来时听着尖锐,开过去后变得低沉。

音爆

当声源速度 vsv_s 超过声速(马赫数 > 1),所有波被超过,叠加在一个圆锥面上 —— 这就是音爆锥(马赫锥),角度由 sinθ=c/vs\sin\theta = c/v_s 决定。

把”声源速度”拉到 340 以上,看锥的几何形成。

应用

  • 雷达测速:发射电磁波,收回波的频率差算出汽车速度
  • 天文学:恒星光谱红移 → 推断星系远离地球的速度 → 哈勃发现宇宙膨胀
  • 医学:彩超用多普勒频移测血流速度