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。 由于声学（机械波）的多普勒效应和光学（电磁波）的多普勒效应有根本区别，所以下面分别进行讨论。 （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。 设声源的频率为?，声波在媒质中的速度为Ｖ， 波长 ? ＝ Ｖ / ? 。 声波在媒质中传播的速度与波源是否运动无关，波一旦在媒质中产生，就“忘记”了自己的来源，总是以决定于媒质特性的速度V来传播，波的频率数值等于每秒钟通过媒质中某一固定点的完整波形的数目，波源振动频率由波源本身结构决定。 如果波源和观测者都静止于媒质中，当然波源振动频率和波的频率二者相等。但如果波源或观测者在媒质中运动，情况就不同了，下面分三种情况来讨论它们的关系。 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　　 （1）声源不动，观测者相对于媒质以速度?运动 ?这表明，当观测者向着静止的声源运动时，接收到声波频率为声源振动频率的（１＋?/Ｖ）倍，故听到的音调变高。如果观测者朝离开波源的方向以?的速度运动，此时，观测者感到声波以V一?的速度通过他，于是每秒钟接收到的波长数目，即声波的频率为 声波的频率低于声源振动的频率，听到的音调变低。 （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， λˊ＝　λ－ｕＴ　＝　ＶＴ－ｕＴ　＝　（Ｖ－ｕ）Ｔ 于是观测者每秒钟接收到声波数目，即频率为： ? 这表明，声源向着静止的观测者运动时，接收到的频率为声源振动频率的　Ｖ/（Ｖ－ｕ）倍。 声源以ｕ速度离开观测者运动时，观测者所接收到的声波频率为： 接收到频率低于声源的振动频率，这就是高速火车鸣笛而来汽笛音调变高，鸣笛离去时，音调变低的原因。 （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 当观测者向着声源运动时上式中?前取正号，离开时取负号，声源向着观测者运动时ｕ前取负号，离开时取正号。 综上所述，不论是声源运动还是观测者运动,或是两者同时运动，只要两者互相接近接收到的声波频率就高于声源的振动频率，两者互相远离，接收到的声波频率低于声源的振动频率。 上面的讨论是假设波源和观测者的运动都发生在二者的连线上，如果运动方向不是在二者的连线上，分析表明，波源或观测者在垂直于连线方向的运动不影响接收的频率，即声学中没有横向多普勒效应，只有波源和观测者在连线方向上运动所引起的纵向多普勒效应。故在一般的运动情况下仍可以用上面所得的多普勒效应公式，但公式中的U、?应理解为在连线方向的分速度。 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。 除了偏蝎和乌类能用回声定位法来捕捉昆虫外，还有许多其它动物，如鲸鱼、海豹、海豚等，都能发出一定频率的声波，利用接收到的回声来捕食或与同类之间相互联系。 目前应用多普勒效应原理给盲入制造了“探路仪”，雷达也是应用多普勒效应原理，不过发射和接收的不是声波而是电磁波。 （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。 光多普勒效应和声多普勒效应二者有本质上的区别。 声是媒质中质点振动状态的传播，离开媒质就谈不到声，声的多普勒