物理效应及其应用—光声效应.pptVIP

　第五章　光　声　效　应 这一章介绍光（声）在不同参照系中的频率变化——多普勒效应、萨甘纳克效应；也介绍光波与声波的相互作用造成的后果，调制的光如何产生声和热波。所有这些效应极富应用价值。 第1节 多普勒效应 当波源与观测者之间存在相对运动时，观测者所接收到的波的频率不等于波源振动频率，这种现象称为多普勒（Doppler）效应。 （一）声多普勒效应 乘火车旅行中，我们可以感觉到，高速行驶的火车鸣笛而来时，汽笛的声调变高，鸣笛离去时，汽笛的声调变低，这是声多普勒效应所致，由于发射声波的波源与观测者之间存在相对运动，导致观测者接收到的声波频率比声源振动的频率增高或降低。 （1）声源不动，观测者相对于媒质以速度?运动 设观测者以速度υ朝着声源的方向运动，此时，观测者不是停在原地等待着一个个的波来“冲击”，而是迎上去拾取更多的波，也就是说在这种情况下，波相对于观测者的速度不再是Ｖ，而是V＋?。于是观测者在每秒钟接收到的波长数目，即接收到声波的频率为　　 （2）声源Ｓ以速度ｕ相对于媒质运动，观测者Ｂ静止于媒质中 假设声源Ｓ相对于媒质以ｕ速度向着观测者运动，参照图５－１所示，波源在移动过程中按自己的频率振动，它在一振动周期T内完成一次全振动，并在媒质中产生一个完整波形，即到达图中Ｂ点，但在这段时间T内波源的位置由Ｓ１移到Ｓ２，前进了uT距离，于是这个波被“挤”在Ｓ２、B之间，波长“缩短”为λˊ， （３）声源与观测者同时相对于媒质运动，　　　声源速度力ｕ，观测者速度为? 综合上述两种情况，可得到观测者接收到的声源频率为 声波多普勒效应应用实例 多普勒效应在日常生活中不难察觉，许多动物，如蛹幅和一些鸟类都能用回声定位法来捕捉昆虫。它们能在黑暗的空中捕食昆虫，不是靠其视觉，也不是其嗅觉，而靠其特别灵敏的听觉，它们在空中飞行时，口中发出一定率的超声脉冲。当遇到昆虫时，产生回声，探测来自昆虫的回声，利用多普勒偏移就能确定昆虫离它的距离及飞行的速度。 （二）光多普勒效应 当光源和接收器之间有相对运动的时候，接收器感受到的光波频率不等于光源的频率，这就是光学的多普勒效应或电磁波的多普勒效应。 下面按狭义相对论的观点对光多普勒效应进行分析 　参照图５－２，接收器Ｒ固定在惯性坐标系K中的O点，单色光源Ｓ固定在另一个惯性坐标系Ｋ?中，Ｋ?系相对于Ｋ系沿Ｘ轴以速度ｕ运动，光源Ｓ位于Ｙ轴上某点，速度ｕ和接收器Ｒ到光源Ｓ的连线夹角为?，而?角会随时间的改变而变化。 相对Ｋ?系静止的光源从Ｋ?系的ｔ?１时刻开始发出一列光波，这个波列发射的截止时刻为t?2 ，于是在K?系中此波列发射时间为　(t?２－t?1) ，在这段时间内发射的波长个数为Ｎ,即光源的频率为： 光学多普勒效应 在Ｋ系中来看，该波列发射截止于t2时刻，相应这一时刻光源位于图中Ｓ2处从t1 到t2这段时间内光源沿X轴方向移动了u(t2一t1)距离。设（t?２－t?1）很小，即(t２一t 1)很小, 以致这短时间内?角基本上不变。因此：ｒ２＝ｒ１＋ｕ（ｔ２－ｔ１）ｃｏｓ? t2时刻光源发出的扰动传到接收器R的时刻为 光学多普勒效应 而：?Ｓ＝Ｎ / ( t?２－t?1) ，故得：? 多普勒效应 如果光源和接收器的相对速度ｕ垂直于连线方向，则式中cos? ＝ 0，多普勒效应公式简化为： 多普勒效应的应用 多普勒效应在近代科学技术中有着广泛应用。多普勒效应常用于测量运动物体视线速度，例如雷达向飞机发射已知频率的电磁波并接收回波，由回波与发射波频率之差可定出飞机以多大的速度接近雷达。同理，可用微波监测来往汽车的行驶速度，观测人造卫星发射的电磁波的频率变化，可以判断卫星的运行情况且测量来自星体的光的多普勒频移可确定星体自转和运动的速度，交通管理，医疗卫生等等。 多普勒效应激光流速仪 利用多普勒效应原理研制的“激光流速仪”可以测量气体、液体的流速，可以测量人体中的血流速度，该仪器的基本原理如图５－３所示。 多普勒效应激光流速仪 应用纵向多普勒效应公式（5-3）,由于u／C非常小，只取级数展开式的头二项，即得： ?ｒ＝（１－ｕ/C) ?s 多普勒效应的应用 激光多普勒技术已经相当成功地用于研究风洞里的速度分布。由于该技术的空间分辩率高，并且具有跟踪快速速度脉动的能力，使它成为研究湍流的重要手段。已经对水流做了许多详细的研究，在水中一般有足够的粒子，即使不用人工添加粒子，也可以提供连续的多普勒信号。 利用该技术还可以远距离测量风速，在这种情况下用其它技术无法完成。这种测量对于机场是很重要的，它可测量空中任意高度处的风速，也可以监视飞机着陆前后机场上存在的湍流。 利用多普勒技术还可以测量人的视网膜血管内血流的速度。把直径约为２００?ｍ的聚焦激光点照到血液