第十七节  多普勒效应

多普勒效应也是一个偶然的发现，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”。

多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。但是由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验验证，几年后有人请一队小号手在平板车上演奏，再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化，以验证该效应。假设原有波源的波长为λ，波速为u，观察者移动速度为v（以下分析方法不适用于光波）：

当观察者走近波源时观察到的波源频率为（u+v）/λ，反之则观察到的波源频率为（u-v）/λ。

一个常被使用的例子是火车的汽笛声，当火车接近观察者时，其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有：警车的警报声和赛车的发动机声。

如果把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。

产生原因：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变．在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大．同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小．

声波是分子媒介子的震动波，多普勒效应是分子的波动效应，是声源引发的分子震动波，是个球面波，传播方向是四面八方，因此四面八方都能听到，所以真空中不能传播声波。分子震动波的传播特点是从声源开始随着距离的增大震动波越来越弱，频率降低，波长增大，振幅降低，最后消失。

声波的传播于分子媒介子有关，与声源的震动能量有关，震动能量越大，声波传播的越远，震动能量越小，声波传播的越近，声波的震动能量与振幅和波长成正比，与频率成反比。看看大海潮就知道了。

当声源运动时，由于距离的变化，引起频率、波长和振幅的变化， 与运动本身无关。开来的火车声音变大了是因为距离近了，所以分子震动波的震动能量大了，这样我们听到的声音就大了。离去的火车声音变小了是因为距离远了，所以分子震动波的震动能量小了，这样我们听到的声音就小了。

分子震动波传播的距离大小与震动能量的大小有关，与频率无关，根本不存在多普勒频移。震动能量越大传播越远，并不是频率越大传播远。这个规律连狼都知道，想想狼是如何嚎的，想想我们人有多愚蠢！！！

超音速飞机引发的声爆就是因为飞机的运动速度超过了分子震动波的速度，使分子没有扩散的时间，分子受到了大幅度挤压，所以引发了分子的剧烈膨胀，发生了爆诈。飞机的运动速度较慢时，分子压缩的程度不够大，不足以引发声爆。所以解决声爆的唯一方法就是减小飞机与空气的接触面积，降低飞机对空气的压缩。