张建兵　赵敏

人们往往有这样的生活经验，当一列火车向我们快速驶来，我们耳朵感觉到的火车鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调高，亦即频率值变大；而当火车渐渐离我们远去时，我们耳朵感觉到的鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调低，亦即频率值变小。这个有趣的物理现象是由多普勒效应所致。多普勒效应这个物理现象，最早由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年发现。随后，荷兰气象学家拜斯·巴洛特也观察到了这一现象，他让一队喇叭手站在一辆疾驶而过的敞篷火车上吹奏，在站台上的他很明显地检测到了音调的改变。那么，究竟什么是多普勒效应呢？

多普勒效应的原理

如果将鸣笛的火车称为声源，人称为观测者，那么所谓多普勒效应，就是当声源与观测者发生相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源实际发出的声波频率不同的现象。最初，多普勒效应只是在声波中被发现，但随着物理学的发展，逐渐在其他类型的波中，如电磁波、光波中也发现了多普勒效应。

更进一步地分析，可以将此现象分为三种情况：一是观测者静止，声源相对于空气介质运动；二是声源静止，观测者相对于空气介质运动；三是声源和观测者同时相对于空气介质运动。在上述三种情况下，观测者听到的声音频率都会发生变化。

以第一种情况为例，设空气介质中的声波波速为u，声源的振动频率为υ，观察者接收到的频率为υ'。当声源以速度us向着静止的观察者运动时，它发出的声波波面不再是同心圆，而是不断向着观测者推进，如图1所示。

这时，向着观测者一侧的波被挤压，波长变短。由于在一个周期T内，声源向观测者运动了usT的距离，所以在观测者看来，声波波长被压缩为λ'=λ－usT，其中λ是波源相对空气介质不动时的波长。于是，观测者耳朵接收到的声波频率为：

这表明，当声源朝着观测者运动时，观测者接收到的频率υ'高于声源频率υ。而当声源远离观测者运动时，由于us为负，因此观测者接收到的频率υ'低于声源频率υ。当快速行驶的列车驶向我们时，汽笛声的音调变高，而离我们远去时汽笛声的音调变低，就是基于这个原理。

再来说一下声源。当多普勒效应产生的时候，声源频率是否也改变了呢？当然没有。显而易见，如果我们不人为地调节改变声源频率，那么即使声源处于运动状态，其频率也是不会变化的。设想在刚才的火车上坐着一个人，他听到的声音音调是不会因为火车运动而发生变化的。

多普勒效应的应用

多普勒机动车超速自动监测系统 多普勒机动车超速自动监测系统能够对机动车辆行驶速度进行实时、自动测量，并自动记录车辆行驶时的速度值、车辆图像、日期、时间、地点等相关信息作为执法证明。它的出现，极大地缓解了当前交通管理中警力调配不足的问题，在一定程度上遏制了超速事故的发生。机动车自动检测系统进行测速的原理，就是基于多普勒效应。多普勒车速检测系统向行进中的车辆发射频率已知的超声波，然后测量经车辆反射折回的反射波频率，根据反射波频率的变化，对应多普勒效应公式，就可以计算出车辆的速度（图2）。

多普勒超声诊断 多普勒效应在医学领域最为广泛的应用即为彩超技术。其实彩超并非看到了人体组织真正的颜色，而是在黑白B超图像的基础上，加上以多普勒效应为基础的“伪彩”而形成的。利用多普勒效应，我们能判定超声图像中血液的流动方向，以及流速的大小和性质，根据血液的流动方向及速度设计色彩，再将这种色彩叠加在二维黑白B超图像上，就形成了我们今天见到的彩超图像（图3）。

宇宙膨胀中的多普勒效应 前面说过，多普勒效应不仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括电磁波。20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了银河系中遥远天体发射的光线频率变低的现象，即光线频率移向光谱的红光端，称为红移（图4）。这说明这些天体在远离银河系，并且天体离开银河系的速度越快，红移越大。斯莱弗通过上述现象，推断旋涡星云正快速远离地球而去。多普勒效应使人们对距离地球任意远天体运动的研究成为可能，只要分析一下接收到的光的频谱即可。1868年，英国天文学家哈金斯利用这种办法，测量出天狼星的速度为46千米/秒。