Kas ir doplera efekts. Doplera efekts skaņas viļņiem

Zināms, ka ātri braucošam elektrovilcienam tuvojoties stacionāram novērotājam, tā skaņas signāls šķiet augstāks, savukārt, attālinoties no novērotāja, tas atskan zemāk par tā paša elektrovilciena, bet stāvoša signāla signālu.

Doplera efekts sauc par uztvērēja reģistrēto viļņu frekvences maiņu, kas rodas šo viļņu avota un uztvērēja kustības dēļ.

Avots, virzoties uztvērēja virzienā, it kā saspiež atsperi – vilni (5.6. att.).

Šis efekts tiek novērots izkliedējot skaņas viļņi(akustiskais efekts) un elektromagnētiskie viļņi(optiskais efekts).

Apskatīsim vairākus izpausmes gadījumus akustiskais Doplera efekts .

Ļaujiet skaņas viļņu P uztvērējam gāzveida (vai šķidrā) vidē būt nekustīgam attiecībā pret to un avotu Un attālināties no uztvērēja ar ātrumu pa taisnu līniju, kas tos savieno (5.7. att., A).

Avots tiek pārvietots vidē uz laiku, kas vienāds ar tā svārstību periodu, par attālumu , kur ir avota svārstību frekvence.

Tāpēc, kad avots pārvietojas, viļņa garums vidē atšķiras no tā vērtības, kad avots ir nekustīgs:

,

kur ir viļņa fāzes ātrums vidē.

Uztvērēja reģistrētā viļņa frekvence,

(5.7.1)

Ja avota ātruma vektors ir vērsts patvaļīgā leņķī pret rādiusa vektoru, kas savieno fiksēto uztvērēju ar avotu (5.7. att., b), Tas

(5.7.2)

Ja avots ir nekustīgs un uztvērējs tam tuvojas ar ātrumu pa taisnu līniju, kas tos savieno (5.7. att., V), tad viļņa garums vidē . Tomēr viļņa izplatīšanās ātrums attiecībā pret uztvērēju ir , tātad uztvērēja reģistrētā viļņa frekvence

Gadījumā, ja ātrums ir vērsts patvaļīgā leņķī pret rādiusa vektoru, kas savieno kustīgo uztvērēju ar stacionāru avotu (5.7. att., G), mums ir:

Šo formulu var attēlot arī kā (ja )

kur ir viļņa avota ātrums attiecībā pret uztvērēju un ir leņķis starp vektoriem un . Tiek izsaukta vērtība, kas vienāda ar projekciju virzienā avota radiālais ātrums.

Optiskā Doplera efekts

Kad elektromagnētisko viļņu avots un uztvērējs pārvietojas viens pret otru, notiek arī doplera efekts , t.i. viļņu frekvences maiņa reģistrēts saņēmējs. Atšķirībā no Doplera efekta, ko mēs aplūkojam akustikā, šīs parādības likumsakarības elektromagnētiskajiem viļņiem var noteikt, tikai pamatojoties uz īpašā teorija relativitāte.

Apraksta attiecības doplera efekts Priekš elektromagnētiskie viļņi vakuumā, ņemot vērā Lorenca transformācijas, ir šāda forma:

.

(5.7.7)

Pie maziem viļņu avota ātrumiem attiecībā pret uztvērēju Doplera efekta relativistiskā formula (5.7.7.) sakrīt ar klasisko formulu (5.7.2.).

Ja avots pārvietojas attiecībā pret uztvērēju pa taisnu līniju, kas tos savieno, tad garenvirziena Doplera efekts .

Avota un galamērķa konverģences gadījumā ()

,

(5.7.8)

un to savstarpējas izņemšanas gadījumā ()

.

(5.7.9)

Turklāt Doplera efekta relativistiskā teorija nozīmē eksistenci šķērsvirziena Doplera efekts novērota un , t.i. gadījumos, kad avots pārvietojas perpendikulāri novērošanas līnijai (piemēram, avots pārvietojas pa apli, uztvērējs atrodas centrā):

.

(5.7.10)

Šķērsvirziena Doplera efekts klasiskajā fizikā ir neizskaidrojams. Tas atspoguļo tīri relativistisku efektu.

Kā redzams no formulas (5.7.10), šķērseniskais efekts ir proporcionāls attiecībai, tāpēc tas ir daudz vājāks par garenisko efektu, kas ir proporcionāls (5.7.9).

Vispārīgā gadījumā relatīvā ātruma vektoru var sadalīt komponentos: viens nodrošina garenisko efektu, otrs - šķērsvirzienu.

Šķērsvirziena Doplera efekta esamība tieši izriet no laika paplašināšanās kustīgos atskaites rāmjos.

Pirmo eksperimentālo verifikāciju par Doplera efekta esamību un relativistiskās formulas (5.7.7.) pareizību 20. gadsimta 30. gados veica amerikāņu fiziķi G. Īvss un D. Stilvels. Izmantojot spektrogrāfu, viņi pētīja ūdeņraža atomu starojumu, kas paātrināts līdz m/s. 1938. gadā rezultāti tika publicēti. Kopsavilkums: šķērsvirziena Doplera efekts tika novērots pilnīgā saskaņā ar relativistiskajām frekvenču transformācijām (atomu starojuma spektrs izrādījās nobīdīts uz zemfrekvences apgabalu); apstiprinās secinājums par laika dilatāciju kustīgās inerciālās atskaites sistēmās.

Doplera efekts ir atradis plašu pielietojumu zinātnē un tehnoloģijā. Šai parādībai ir īpaši svarīga loma astrofizikā. Pamatojoties uz zvaigžņu un miglāju spektra absorbcijas līniju Doplera nobīdi, ir iespējams noteikt šo objektu radiālos ātrumus attiecībā pret Zemi: izmantojot formulu (5.7.6.)

.

(5.7.11)

Amerikāņu astronoms E. Habls 1929. gadā atklāja fenomenu, ko sauc kosmoloģiskā sarkanā nobīde un kas sastāv no tā, ka līnijas ekstragalaktisko objektu emisijas spektros ir nobīdītas uz zemākām frekvencēm (garākiem viļņu garumiem). Izrādījās, ka katram objektam relatīvā frekvences nobīde ( ir līnijas frekvence stacionāra avota spektrā, ir novērotā frekvence) ir pilnīgi vienāda visām frekvencēm. Kosmoloģiskā sarkanā nobīde nav nekas cits kā Doplera efekts. Tas norāda, ka metagalaktika paplašinās, tādējādi ekstragalaktiskie objekti attālinās no mūsu galaktikas.

Metagalaktika tiek saprasta kā visu zvaigžņu sistēmu kopums. Mūsdienu teleskopos var novērot metagalaktikas daļu, kuras optiskais rādiuss ir vienāds ar . Šīs parādības esamību tālajā 1922. gadā teorētiski paredzēja padomju zinātnieks A.A. Uz Frīdmenu balstīta attīstība vispārējā teorija relativitāte.

Habls izveidoja likumu, kas galaktiku relatīvā sarkanā nobīde palielinās proporcionāli to attālumam .

Habla likums var rakstīt formā

,

(5.7.12)

Kur H ir Habla konstante. Saskaņā ar jaunākajām aplēsēm, kas veiktas 2003. gadā, . (1 gab (parsec) ir attālums, ko gaisma vakuumā veic 3,27 gados ( )).

1990. gadā uz Space Shuttle Discovery klāja tika palaists Habla kosmiskais teleskops (5.8. attēls).

Rīsi. 5.8	Rīsi. 5.9

Astronomi jau sen sapņoja par teleskopu, kas darbotos redzamā diapazonā, bet atradās ārpus zemes atmosfēras, kas ļoti traucē novērojumiem. "Habls" ne tikai nepievīla uz to liktās cerības, bet pat pārspēja gandrīz visas cerības. Viņš fantastiski paplašināja cilvēces "redzes lauku", ieskatoties neiedomājamos Visuma dziļumos. Savas darbības laikā kosmiskais teleskops uz zemi raidīja 700 tūkstošus krāšņu fotogrāfiju (5.9. att.). Viņš jo īpaši palīdzēja astronomiem noteikt precīzu mūsu Visuma vecumu - 13,7 miljardus gadu; palīdzēja apstiprināt dīvainas, bet spēcīgas enerģijas formas eksistenci Visumā — tumšo enerģiju; pierādīja supermasīvu melno caurumu esamību; pārsteidzoši skaidri nofotografēja komētas krišanu uz Jupitera; parādīja, ka mūsu Galaktikā ir plaši izplatīts planētu sistēmu veidošanās process; atklāja nelielas protogalaktikas, reģistrējot to izstaroto starojumu, kad Visuma vecums bija mazāks par 1 miljardu gadu.

Radara lāzermetodes dažādu objektu (piemēram, automašīnas, lidmašīnas u.c.) ātruma mērīšanai uz Zemes ir balstītas uz Doplera efektu. Lāzeranemometrija ir neaizstājama metode šķidruma vai gāzes plūsmas pētīšanai. Gaismas ķermeņa atomu haotiskā termiskā kustība izraisa arī līniju paplašināšanos tā spektrā, kas palielinās, palielinoties termiskās kustības ātrumam, t.i. ar gāzes temperatūras paaugstināšanos. Šo parādību var izmantot, lai noteiktu karsto gāzu temperatūru.

Juškevičs R.S., Degtjareva E.R.

Rakstā sniegts Doplera efekta formulu atvasinājums, neizmantojot ātrumu saskaitīšanas likumu, bet izmantojot gaismas ātruma noturības principu tikai attiecībā pret gaismas avotu. Tiek noteikta elektromagnētisko viļņu uztveršanas iespējas telpiskā robeža. Aplūkota gaismas ātruma atkarība no attāluma. Tiek noteikts koeficients gaismas ātruma aprēķināšanai.

Lai izskaidrotu efektu, mēs pieņemam, ka gaisma, kas nāk no gaismas avota, ir saistīta ar avotu un izplatās no tā ar ātrumu s = 3 10 8 m/s attiecībā uz avotu. Uztvērējam gaismas ātrums attiecībā pret avotu tiks pievienots avota ātrumam v.

Noteikt gaismas frekvences atkarību ν no ātruma v, apsveriet gaismas izplatīšanos no diviem avotiem, no kuriem viens Ѕ attālinās no uztvērēja ar ātrumu v, un otrs S 0 atpūšas.

Rīsi. 1.

Identiski avoti izstaro tādas pašas frekvences gaismu ν 0 . Gaisma pārvietojas ar tādu pašu ātrumu attiecībā pret avotiem Ar, tātad izstarotā viļņa garums λ 0 būs tas pats. No kustīga avota gaisma tuvosies uztvērējam ar ātrumu ar-v un viļņa garums λ 0 tiks pieņemti laikā T =(periods), un no avota miera stāvoklī - laikā T 0 =. Periodi ir svārstību frekvenču un . Aizstājiet vērtības T Un T 0 iegūtajās vienādībās

sadalot tos ar terminu, mēs iegūstam

,

mēs iegūstam [lpp. 181].

(1)

Gadījumā, ja avots un uztvērējs tuvojas, jums ir nepieciešama zīme v aizstāt to ar pretējo, mēs saņemam . Pieraksti to ar-v Un c ir attiecīgi gaismas ātrumi attiecībā pret uztvērēju un gaismas avotu.

Tagad apsveriet gadījumu, kad gaismas avots pārvietojas perpendikulāri uztvērēja virzienam. Ņemot vērā, ka gaisma ir saistīta ar avotu, tā izplatās attiecībā pret to ar ātrumu Ar un iet ar to ar ātrumu v lai tas ietriektos uztvērējā, tam jābūt vērstam noteiktā leņķī α Tātad sinα= . Šajā gadījumā gaismas ātruma sastāvdaļa, kas sakrīt ar virzienu uz uztvērēju A būs , komponents v šajā virzienā ir vienāds ar 0. Lai neatkārtotos iepriekšējais spriedums, mēs izmantojam formulu (1), ar-v aizstāt ar , un ātrums c attiecībā pret avotu paliek nemainīgs. Rezultātā mēs iegūstam:

kas atbilst Ivesa eksperimentos iegūtajam rezultātam [lpp. 181].

Rīsi. 2.

Kad gaisma pāriet no avota uz uztvērēju, tās frekvence mainās no ν 0 pirms tam ν. No formulas с=λν No tā izriet, ka jāmainās arī viļņa garumam. Ja no gaismas avota tika izstarota garuma vilnis λ 0 , tad uztvērējs to saņems savādāk, teiksim λ . Iegūstiet vērtību λ ir iespējams, izmantojot λ Un ν daudzumi ir apgriezti proporcionāli . Vērtības aizstāšana ν no formulas (1), mēs saņemam

Lai iegūtu lielāku noteiktību, mēs iegūstam šo formulu citā veidā.

Jebkurš gaismas uztvērējs var būt arī izstarotājs, kas nozīmē, ka tam ir tāda pati gaismu nesošā vide kā avotam un gaisma tajā izplatās ar ātrumu Ar. Gaisma, pārejot no avota vides uz uztvērēja vidi, iegūst ātrumu Ar attiecībā uz uztvērēju.

Viļņa garums λ 0 no avota līdz saskarnei starp avotu un uztvērēju medijs tuvojas ar ātrumu Ar -v un robeža šķērsos laikā C no paša viļņa sākuma, kas nonāk uztvērēja vides sfērā, tā sākums iegūst ātrumu c attiecībā pret uztvērēju un laikā T tas šķērsos ceļu λ = cT. Vērtības aizstāšana T, mēs iegūstam:

Rīsi. 3.

Divdesmitā gadsimta pirmajā pusē. Amerikāņu zinātnieks Habls tālu zvaigžņu spektros atklāja spektra līniju nobīdi pret spektra sarkano daļu, salīdzinot ar laboratorijas spektriem – "sarkano nobīdi". Tas nozīmēja, ka saņemtā viļņa garums λ ir lielāks par λ 0 un jo tālāk zvaigzne, jo lielāka ir "sarkanā nobīde".

formulā (2) ietver četrus daudzumus λ, λ 0, s Un v. Līdz brīdim, kad tika atklāta "sarkanā nobīde", gaismas ātrums ar Einšteina postulātu tika fiksēts kā nemainīgs attiecībā pret jebkuru atskaites sistēmu, kas nozīmē, ka λ 0 , saistībā ar gaismas ātrumu c un starojuma avotu izrādījās nemainīgs. Formulā (2) mainīgs λ , izrādījās saistīts ar avota ātrumu v. Palielināt λ izraisa pieaugumu v.

"Sarkanā nobīde" ir novērojama zvaigznēs, kas atrodas visos virzienos, tāpēc tika atzīts Visuma paplašināšanās fakts.

Astronomijā saikne starp λ Un v ir definēts ar citu formulu

(3)

attālinātam starojuma avotam.

Vienai un tai pašai parādībai un tiem pašiem daudzumiem tiek izveidotas divas formulas dažāda atkarība! Lai to saprastu, salīdzināsim rezultātus, ko šīs formulas sniedz dažādiem v. Ātruma vērtības ierobežojumi v formulas nav vajadzīgas. Ērtības labad mēs apzīmējam viļņu garumus λ 3 Un λ2 saskaņā ar formulu apzīmējumu (3) Un ( 2 ), kurā tie ir iekļauti. Plkst v=0 :

Plkst 0< v< с salīdziniet iedalījumu:

Ja v"Ar, tad un λ 3 ≈ λ 2 .Šajos divos apstākļos rezultāti praktiski nav pretrunā viens otram.

Kad v = c; λ 2 pagriežas līdz bezgalībai, savukārt formula (1) dod . Izrādās, ka gaismas vilnis no avota uz uztvērēju nesaņem, tas ir ar ātrumu Ar virzīsies no avota uz uztvērēju un kopā ar avotu attālināsies no tā ar tādu pašu ātrumu c - c = 0.

Trešais salīdzinājums liek mums secināt, kura formula pareizi atspoguļo realitāti. Formulas izcelsme (2) apspriests raksta sākumā. Tagad redzēsim, kā tiek iegūta formula (3).

Rīsi. 4.

Iedomājieties, ka gaismas avotu ieskauj vide, kurā gaisma izplatās uztvērēja virzienā ar ātrumu Ar. Gaismas avots noteiktā punktā A sāka izstarot vilni. Tiek apzīmēts viena viļņa emisijas laiks T(periods). No brīža, kad vilnis sāk parādīties, tas ar ātrumu sāk virzīties uztvērēja virzienā vidē Ar un uz laiku T attālināties no punkta A attālumā st. Bet tajā pašā laikā avots, kas pārvietojas no uztvērēja, atradīsies punktā AR, veicot distanci AC =vT kur būs viļņa gals. Attālums no AR līdz B un būs viļņa garums λ = cT +vT = (c +v)T

Ja avots nekustas, tad v = 0 un viļņa garums būs λ 0 = st. Sadalīšana λ uz λ 0 mēs iegūstam:

Raksta sākumā mēs aplūkojām vidi, kas nodrošina gaismas ātrumu c, tas ir vai nu saistīts ar gaismas avotu vai ar gaismas uztvērēju. Pirmais sniedz formulas (1) un (2). Varbūtība, ka otrs no tālu novietota gaismas uztvērēja gaismas ātrumu ietekmēja vairāk nekā gaismas avota vidi, ir niecīga. Paliek vide, kas nav saistīta ne ar gaismas avotu, ne uztvērēju, kas iedarbojas kā gaiss (viela) uz skaņas izplatīšanos. Bet Miķelsona eksperimentu negatīvais rezultāts "ēteriskā vēja" noteikšanai pierādīja, ka dabā šāda nesēja neeksistē. Atliek dot priekšroku formulai (2). Iepriekš tika atzīmēts, ka, noņemot gaismas avotu ar ātrumu v = c, vilnis nesasniegs uztvērēju un signāls netiks uztverts.

Habls ieviesa likumu, kas nes viņa vārdu [lpp. 120]

v= HD,

kur v ir gaismas avota noņemšanas ātrums, D ir attālums starp avotu un uztvērēju, H ir proporcionalitātes koeficients, ko sauc par Habla konstanti.

.

1 Mpc = 10 6 gab; 1 gab (parsec) = 3,26 gaismas gads= 3. 10 13 km.

Atrodiet attālumu, kurā v = c: ;

D ir sfēras rādiuss, kas ierobežo tiešās pārraides uztveršanu elektromagnētiskā radiācija no Visuma plašumiem. No zonām, kas atrodas blakus šai sfērai tās iekšējā daļā, elektromagnētiskais starojums var nākt tikai radioviļņu veidā. Dabā zvaigžņu sadalījumā nav prioritāra virziena, tāpēc radio emisijai no visām pusēm jānāk vienmērīgi.

Apsveriet gadījumu, kad v>s.Šajā gadījumā formulas (1) un (2) sniedz: Un .

Tas nozīmē, ka vilnim jānāk no virziena, kas ir pretējs tam, kur atrodas emitētājs.

Plkst v= 2s mums ir

.

Vilnis nāks bez "sarkanās nobīdes". Rakstā noteiktā iespējamā elektromagnētiskā starojuma uztveršanas robeža būs pareiza, ja Habla likums ir pareizs un "sarkano nobīdi" izraisa tikai emitētāja noņemšana. Ja tiek atrasti citi faktori, kas samazina gaismas ātrumu attiecībā pret uztvērēju (un tie var būt), tad viļņu uztveršanas robežu var tuvināt.

Tagad pievērsīsimies formulām (1) Un (2). Viņos c-v ir gaismas ātrums attiecībā pret uztvērēju, apzīmēsim to c 1 \u003d c-v kur v=c-c 1.Formulās v apzīmē gaismas ātruma atšķirību neatkarīgi no tā rašanās veida. Ir vispāratzīts, ka tas ir gaismas avota noņemšanas rezultāts. Bet šī ātruma atšķirība var rasties arī gaismas ātruma samazināšanās dēļ, palielinoties attālumam. Gaisma ir enerģijas kvantu plūsma, un ir iespējams, ka to ātrums var samazināties.

Pieņemsim, ka, palielinoties attālumam no gaismas avota, gaismas ātrums samazinās, tēlaini izsakoties, “gaisma noveco”.

Ir zināms, ka gaismas ātrums samazinās, pārejot no optiski mazāk blīvas vides uz blīvāku. Tas ir saistīts ar faktu, ka mainās gaismas pārejas apstākļi. Ātruma samazināšanos raksturo refrakcijas indekss n;, Kur Ar ir gaismas ātrums vakuumā a no 1- ātrums citā vidē.

Ja pieņemot, ka gaismas ātrums samazinās, palielinoties attālumam no gaismas avota, tad mainās arī tās caurbraukšanas apstākļi, ko var raksturot arī ar laušanas koeficientu n. Mēs iegūstam, ka samazinātais gaismas ātrums būs .

Rakstā "Fizo eksperiments" (j. "Mūsdienu augstās tehnoloģijas" Nr. 2, 2007) noteikt gaismas ātrumu kustīgā vidē, laušanas koeficientu. n tika izmantots formā , kur indikatora daļa, ko nosaka izstarojošais atoms, un to nosaka gaismas caurlaidības apstākļi vidē.

Piemērosim šo refrakcijas indeksa attēlojumu arī vakuumam. Ja mēs pieņemtu pieņēmumu, ka gaismas ātrums samazinās vakuumā, un vakuums ir viendabīga vide, tad gaismas ātruma samazinājumam vajadzētu būt atkarīgam tikai no attāluma un proporcionālam tam. Tāpēc var rakstīt kur D- attālums līdz gaismas avotam, μ - proporcionalitātes koeficients ir nemainīga vērtība. Saņemtās gaismas ātrums būs

Atšķirība starp sākotnējo un samazināto gaismas ātrumu būs

Šeit ir sakarība starp gaismas ātruma samazināšanos un attālumu D. Saikne starp šiem lielumiem arī izsaka Habla likumu kur v- zvaigznes noņemšanas ātrums, kas paredzēts gaismas uztvērējam s-s atšķirība 1 .

Salīdziniet vērtības v, kas dod šos divus vienādojumus attāluma robežvērtībām D.

Ja , tad no pirmā vienādojuma iegūstam: , n=1 (maziem attālumiem) un . No Habla likuma mēs arī iegūstam .

Ja šī sakritība nav nejauša, var pieņemt, ka gaismas enerģijas kvanti ir saistīti ar emitētāju, par to liecina arī gaismu nesošās vides savienojums ar gaismas avotu.

Lai noteiktu ātrumu no 1, ir jāizlemj par n vienādojums:

un caur n atrodiet ātrumu no 1.

Mazām D vērtībām var izmantot Habla likumu.

Rakstā ir skaidra pretruna. Pamatojoties uz Visuma izplešanās koncepciju, tika izdarīts secinājums par robežas esamību iespējamai elektromagnētisko viļņu uztveršanai, un, pamatojoties uz dabisko gaismas ātruma samazināšanos, šādas robežas nav. Izrādās, ka šādas robežas atklāšana būs Visuma paplašināšanās pierādījums.

Rakstā bez pārliecinoša pamata pieņemts arī pieņēmums par gaismas ātruma atkarību no attālumiem. Šī pieņēmuma pamatojums tiks atklāts, apsverot gaismas kvantu emisijas procesu no atoma.

BIBLIOGRĀFIJA:

1. Zisman G.A., Todes O.M., Vispārīgās fizikas kurss v.3. - M.: "Nauka", 1972. gads.
2. Voroncovs - Veļiminovs B.A. Astronomija 10. - M .: "Apgaismība", 1983

Bibliogrāfiskā saite

Nosūtiet savu labo darbu zināšanu bāzē ir vienkārši. Izmantojiet zemāk esošo veidlapu

Studenti, maģistranti, jaunie zinātnieki, kuri izmanto zināšanu bāzi savās studijās un darbā, būs jums ļoti pateicīgi.

Publicētshttp://allbest.ru

Kursa darbs

disciplīnā "Mērījumu fiziskie pamati"

Doplera efekta izmantošana mērīšanai fizikālie lielumi

IEVADS

doplera efekta mērījumu kļūda

Doplera efekts ir uztveramās svārstību frekvences izmaiņas viļņu avota un / vai uztvērēja kustības dēļ. Šis efekts ir nosaukts Kristiana Johana Doplera vārdā, kurš pirmais to teorētiski paredzēja.

Šis efekts ir īpaši pamanāms skaņas viļņu gadījumā, kā piemēru var minēt izmaiņas garāmbraucoša vilciena svilpes skaņas augstumā.

Radiosakaros un apraidē, izmantojot tikai zemes uztvērējus un raidītājus, Doplera efekts tiek atstāts novārtā (FM radiostacijas frekvences maiņa, kas uztverta automašīnā, kas pārvietojas ar ātrumu 100 km / h, nepārsniedz 10 Hz). Tomēr satelītu sakaru kanāli tam ir diezgan stingri pakļauti. Piemēram, divu metru diapazonā, ko izmanto saziņai pa radioamatieru satelītiem, Doplera nobīde sasniedz vairākus kilohercus, nepārtraukti mainoties, satelītam šķērsojot redzamības zonu.

1. DOPLERA EFEKTS

Doplera efekts ir elektromagnētiskā viļņa garuma izmaiņas, ko izraisa avota kustība, ko reģistrē uztvērējs. To ir viegli novērot praksē, kad novērotājam pabrauc garām automašīna ar ieslēgtu sirēnu. Pieņemsim, ka sirēna izdod noteiktu signālu, un tas nemainās. Kad automašīna nekustas attiecībā pret novērotāju, viņš dzird tieši to signālu, ko izdod sirēna. Bet, ja automašīna tuvojas novērotājam, tad skaņas viļņu biežums palielināsies (un garums samazināsies), un novērotājs dzirdēs augstāku signālu, nekā patiesībā izstaro sirēna. Tajā brīdī, kad automašīna pabrauc garām novērotājam, viņš dzirdēs tieši to signālu, ko patiesībā izdod sirēna. Un, kad automašīna brauc tālāk un jau attālināsies, nevis tuvosies, novērotājs dzirdēs zemāku toni skaņas viļņu zemākas frekvences (un attiecīgi lielāka garuma) dēļ.

2.1. attēls. Skaņas viļņu izplatīšanās

Viļņiem (piemēram, skaņai), kas izplatās vidē, ir jāņem vērā gan viļņu avota, gan uztvērēja kustība attiecībā pret šo vidi. Elektromagnētiskajiem viļņiem (piemēram, gaismai), kuru izplatībai nav nepieciešama vide, svarīga ir tikai avota un uztvērēja relatīvā kustība.

Šo efektu pirmo reizi aprakstīja Kristians Doplers 1842. gadā.

Svarīgs ir arī gadījums, kad uzlādēta daļiņa pārvietojas vidē ar relatīvu ātrumu. Šajā gadījumā laboratorijas sistēmā tiek reģistrēts Čerenkova starojums, kas ir tieši saistīts ar Doplera efektu.

2.1. Doplera fenomena būtība

Ja viļņu avots pārvietojas attiecībā pret vidi, tad attālums starp viļņu virsotnēm (viļņu garums) ir atkarīgs no kustības ātruma un virziena. Ja avots virzās uz uztvērēja pusi, tas ir, panāk tā izstarotos viļņus, tad viļņa garums samazinās. Ja tas tiek noņemts, viļņa garums palielinās.

(2.1)

Kur sch 0 ir frekvence, ar kādu avots izstaro viļņus; c ir viļņu izplatīšanās ātrums vidē; v-- viļņu avota ātrums attiecībā pret vidi (pozitīvs, ja avots tuvojas uztvērējam un negatīvs, ja tas attālinās).

Frekvence, ko ieraksta fiksēts uztvērējs

(2.2)

Tāpat, ja uztvērējs virzās uz viļņiem, tas biežāk reģistrē to virsotnes un otrādi. Stacionāram avotam un kustīgam uztvērējam.

(2.3)

kur u ir uztvērēja ātrums attiecībā pret vidi (pozitīvs, ja tas virzās uz avotu).

Aizvietojot biežuma vērtību no formulas (2.1) ar formulu (2.2), iegūstam formulu vispārīgajam gadījumam .

(2.4)

2.2. Relativistiskais Doplera efekts

Elektromagnētisko viļņu gadījumā frekvences formula tiek iegūta no speciālās relativitātes vienādojumiem. Tā kā elektromagnētisko viļņu izplatībai nav nepieciešama materiāla vide, var ņemt vērā tikai avota un novērotāja relatīvo ātrumu.

(2.5)

Kur Ar ir gaismas ātrums, v- uztvērēja un avota relatīvais ātrums (pozitīvs, ja tie attālinās viens no otra), Un ir leņķis starp viļņa vektoru un avota ātrumu.

Relativistiskais Doplera efekts rodas divu iemeslu dēļ:

- klasisks frekvences maiņas analogs ar avota un uztvērēja relatīvo kustību;

- relativistiskā laika dilatācija.

Pēdējais faktors noved pie šķērsvirziena Doplera efekta, ja leņķis starp viļņa vektoru un avota ātrumu ir Un = R/ 2. Šajā gadījumā frekvences izmaiņas ir relativistisks efekts, kam nav klasiska analoga.

Ja skaņas avots un novērotājs pārvietojas viens pret otru, novērotāja uztvertās skaņas frekvence neatbilst skaņas avota frekvencei. Šo parādību, kas atklāta 1842. gadā, sauc par Doplera efektu.

Skaņas viļņi izplatās gaisā (vai citā viendabīgā vidē) ar nemainīgu ātrumu, kas ir atkarīgs tikai no vides īpašībām. Tomēr skaņas viļņa garums un frekvence var būtiski mainīties, skaņas avotam un novērotājam pārvietojoties.

Apskatīsim vienkāršo gadījumu, kad avota ātrums X un novērotāja ātrums X H attiecībā pret vidi ir vērsti pa taisnu līniju, kas tos savieno. Par pozitīvu virzienu par X Un un X H var uzņemties virzienu no novērotāja uz avotu. Skaņas ātrums X vienmēr uzskatīts par pozitīvu.

2.2. attēls - Doplera efekts, kustīga novērotāja gadījumā, secīgas novērotāja pozīcijas ir parādītas novērotāja uztvertās skaņas periodā TH

2.2. attēlā parādīts Doplera efekts kustīga novērotāja un stacionāra avota gadījumā. Skaņas vibrāciju periodu, ko uztver novērotājs, apzīmē ar TN. No 2.2 attēla izriet:

(2.6)

Ņemot vērā un iegūstam:

(2.7)

Ja novērotājs virzās avota virzienā (x H > 0), tad f H > f Un, ja novērotājs attālinās no avota (x H< 0), то f Н < f И.

2.3. attēls. Doplera efekts, kustīga avota gadījumā, avota secīgās pozīcijas ir parādītas avota izstarotās skaņas periodā T

2.3. attēlā novērotājs nekustas, un skaņas avots pārvietojas ar zināmu ātrumu X I. Šajā gadījumā saskaņā ar 2.3. attēlu sakarība ir patiesa:

vai (2.8)

Kur un

Tas nozīmē:

(2.9)

Ja avots attālinās no novērotāja, tad X Un > 0 un tāpēc f H< f I. Ja avots tuvojas novērotājam, tad X UN< 0 и f H > f UN.

Vispārīgā gadījumā, kad gan avots, gan novērotājs pārvietojas ar ātrumu X Un un X H, Doplera efekta formula ir šāda:

(2.10)

Šī attiecība izsaka attiecības starp f Roka f I. Ātrumi X Un un X H vienmēr mēra attiecībā pret gaisu vai citu vidi, kurā izplatās skaņas viļņi. Tas ir tā sauktais nerelatīvistiskais Doplera efekts.

Elektromagnētisko viļņu gadījumā vakuumā (gaisma, radioviļņi) tiek novērots arī Doplera efekts. Tā kā elektromagnētisko viļņu izplatībai nav nepieciešama materiāla vide, var ņemt vērā tikai avota un novērotāja relatīvo ātrumu x. Relativistiskā Doplera efekta izteiksme ir šāda:

(2.11)

Kur c ir gaismas ātrums. Kad X> 0, avots attālinās no novērotāja un f H< f Un gadījumā X < 0 источник приближается к наблюдателю, и f H > f UN.

Doplera efektu plaši izmanto tehnoloģijās, lai mērītu kustīgu objektu ātrumu ("Doplera atrašanās vieta" akustikā, optikā un radio).

2.3. Doplera parādība

Daudzas iepriekš apspriestās traucējumu un difrakcijas parādības sniedz mums metodes tieši gaismas viļņa garuma mērīšanai lībiešu vakuuma vidē.

.

Šos divus lielumus var izmantot arī, lai noteiktu izstarotā starojuma biežumu vai tā periodu.

Izstarotā gandrīz monohromatiskā starojuma biežums vai periods ir raksturīgs tiem intraatomiskajiem procesiem, kas izraisa emisiju. Mums nav metožu šo frekvenču tiešai mērīšanai.

Doplera argumentācija ir piemērojama visām viļņu parādībām - optiskām, akustiskām un citām. Doplers novēroja (kvalitatīvi) viņa prognozēto fenomenu akustiskajos procesos un ierosināja, ka dažu zvaigžņu krāsas atšķirība ir saistīta ar to kustību attiecībā pret Zemi. Pēdējais secinājums ir nepareizs. Lielākajai daļai zvaigžņu to kustības ietekme izpaužas tikai nenozīmīgās spektrālo līniju stāvokļa izmaiņās zvaigžņu spektrā. Tomēr Doplera principa piemērojamība optiskām parādībām nerada šaubas. Pirmo reizi astronomisko parādību novērošanā faktiski tika veikta uzticama optiskā Doplera fenomena eksperimentālā noteikšana un tās visauglīgākie pielietojumi.

Problēmas interpretācija būtībā ir atkarīga no tā, vai mēs varam runāt tikai par avota un uztvērēja relatīvo kustību vienam pret otru, vai arī ir jēga runāt par perturbācijas ātrumu attiecībā pret vidi, t.i. ņem vērā avota un uztvērēja kustību šajā vidē.

2.4. Doplera fenomens akustikā

Skaņas viļņiem neapšaubāmi notiek otrs gadījums: akustiskie viļņi izplatās vidē (gāzē), kurā avots un uztvērējs var pārvietoties, tāpēc ir jēga jautāt ne tikai par to kustību attiecībā pret otru (relatīvā kustība) , bet arī par to kustību saistībā ar vidi.

2.4. attēls - Doplera formulas atvasināšanai avota kustības gadījumā attiecībā pret vidi

Tāpēc aplūkosim abus gadījumus atsevišķi:

a) avota kustība;

b) uztverošās ierīces kustība.

a) Avots pārvietojas attiecībā pret vidi ar ātrumu v. Viļņa ātrums vidē c ir nemainīgs, neatkarīgi no avota kustības.

Lai uztvērējs atrodas punktā B un avots S 1 kustas ar ātrumu v pa līniju S 1 B, kas savieno avotu ar uztveršanas ierīci, saskaņā ar 2.4. attēlu. Šobrīd izstarots vilnis t 1, kad avots atrodas attālumā S 1 B = a no ierīces, līdz tam laikam sasniegs pēdējo

(2.12)

momentā t1=t2+f izstarotais vilnis šobrīd sasniegs uztvērēju

, (2.13)

jo līdz tam laikam t 2 attālums starp avotu un ierīci kļūs vienāds (a+xf) vai (a-hf) atkarībā no braukšanas virziena.

Tātad, avota izstarotie viļņi laikā f = t 2 - t 1 , laika gaitā iedarboties uz ierīcēm

(2.14)

Ja X 0 ir avota frekvence, tad laika f laikā tas tiks izstarots N=X 0 f viļņi un līdz ar to arī ierīces uztvertā frekvence ir X=N/? . Viņa ir līdzvērtīga

avota noņemšanas gadījumā (2.15.)

kad avots ir tuvu. (2.16)

Tā kā viļņa ātrumu vidē nosaka pēdējās īpašības, t.i. nav atkarīgs no avota kustības un paliek vienāds ar c, tad aplūkotajā gadījumā obligāti jānotiek viļņa garuma izmaiņām.

Ja apzīmē ar l 0 ir viļņa garums, kas novērots bez avota kustības un cauri l ir viļņa garums, kas tiek uztverts avota kustības gadījumā, tad mēs atrodam

(2.17)

Tātad, kad avots pārvietojas vidē, viļņa ātrums attiecībā pret ierīci, kas atrodas šajā vidē, paliek nemainīgs, savukārt uztvērēja uztvertā frekvence un viļņa garums mainās. Citiem vārdiem sakot, tāds eksperiments kā Fizeau eksperiments dod tādu pašu akustiskā viļņa ātruma vērtību kā ar stacionāru skaņas avotu, un traucējumu eksperiments dod mainītu viļņa garumu; tas pats attiecas uz frekvenci, kuru akustisko viļņu gadījumā var novērot tieši, piemēram, salīdzinot ar sirēnu, kas skan unisonā.

2.5. attēls. Doplera formulas atvasināšana gadījumā, ja uztvērējs pārvietojas attiecībā pret vidi

b) Uztvērējs pārvietojas attiecībā pret vidi ar ātrumu v, viļņa ātrums vidē ir c, saskaņā ar 2.5. attēlu. Atkārtojot iepriekš minēto argumentāciju, mums tas būtu jādara Un 1 un Un 2 rakstiet attiecīgi:

(2.18)

jo tuvošanās starp vilni un ierīci notiek ar ātrumu c=X(viļņu ātrums attiecībā pret ierīci), saskaņā ar 2.5. Tādējādi

(2.19)

un uztvērēja uztvertā frekvence būs vienāda ar

ierīces noņemšanas gadījumā (2.20.)

kad ierīce ir tuvu. (2.21)

Uztvērējam kustoties, viļņa ātrums attiecībā pret to ir viļņa ātruma summa attiecībā pret vidi un ierīces ātruma attiecība pret vidi, t.i. ir vienāds ar

(2.22)

Tādējādi uztvērēja uztvertais viļņa garums paliek nemainīgs. Tiešām,

(2.23)

Tātad uztvērēja kustības gadījumā mainās viļņa frekvence un ātrums attiecībā pret ierīci, bet tā uztvertais viļņa garums paliek nemainīgs.

3 . FIZISKO DAUDZUMU MĒRĪŠANAS METODES, PAMATOJOTIES UZ ŠO FIZISKO IETEKME

3.1. Plūsma uz priekšu un atpakaļ

Doplera frekvences nobīde ir noderīga arī, lai noteiktu šķidruma vai gāzes kustību virzienā uz pārvades sistēmu vai prom no tās. Ražošanas nozarēs šī prasība nav izplatīta. Tomēr medicīnas jomā tas ir ārkārtīgi svarīgi. Piemēram, sirds vārstuļa tuvumā var rasties apgrieztā plūsma.

Atspoguļoto signālu var attēlot šādi:

(3.1)

Kur A i -- raidītāja atstarotā signāla amplitūda ar frekvenci w 0 ; F j - atstarotā signāla amplitūda, kas saņemta no izkliedējošiem objektiem, kas virzās uztvērēja virzienā; IN Uz ir atstarotā signāla amplitūda no daļiņām, kas pārvietojas pretējā virzienā. Praksē atstarotais signāls būs nepārtraukts, bet FFT attēlojumā, kā aprakstīts iepriekš, tiks iegūtas atsevišķas spektrālās līnijas. Frekvences nobīdes komponentu uztveršana ir samērā pareiza, ja vien tiek nobīdīta vēlamā frekvence. Lai noteiktu frekvences nobīdi uz augšu vai uz leju, nepieciešama detalizētāka signāla apstrāde. Nippa un citi (1975) ir ierosinājuši vairākus veidus, kā to izdarīt, un tie tiks apspriesti turpmāk. 10 MHz, ar plūsmas ātrumu no 0,9 * 10 -2 līdz 9 * 10 -2 m·s -1, frekvences nobīde būs no 100 Hz līdz 10 kHz. 3.1. attēlā parādītais tiešās un pretējās plūsmas spektrs, lai gan tas nav piemērots mērījumiem, atspoguļo procesa būtību.

1) Atdalīšana ar tiešu filtrēšanu

Var pieņemt, ka ir vienkārša ievades atspoguļotā spektra filtrēšana piemērots risinājums. Atstarotā 10 MHz signāla komponentu frekvence būs no 10,0001 x 10,001 MHz līdz 9,9999 x 9,99 MHz. Tomēr, kā atzīmēja Nippa et al., frekvenču atdalīšana starp 10 MHz un 10,0001 MHz pie 40 dB ir neiespējams uzdevums, ja tiek izmantoti filtri, it īpaši, ja interesējošā frekvence mainās.

3.1. attēls. Atstarots spektrs priekšplūsmām un atpakaļgaitā

2) Frekvences maiņa

Doplera spektra frekvences nobīde uz leju nozīmē, ka prasības filtram kļūst mazāk stingras. Frekvenču maiņa ir izplatīta procedūra telekomunikācijās. Piemēram, Apvienotajā Karalistē saliktajā stereo un augstfrekvences FM pārraidēs tiek izmantota frekvences maiņa, lai uzlabotu raidītāja frekvenču diapazona izmantošanu.

Frekvences nobīdi atkal var panākt, izmantojot reizināšanas procedūru. Šeit izmantotā procedūra ir tā, ko radioinženieri sauc par heterodinēšanu. Biežums w T, kas ir saistīts ar pārraides frekvenci, bet nedaudz zem tās, tiek reizināts ar atstaroto signālu. Šajā gadījumā, kā parasti, tiek iegūti divi komponenti ar starpību un frekvenču summu. Reizināšanai izmantotā frekvence w T , jābūt tādam, lai frekvenču starpības komponents novietotu atstarotā signāla joslas platumu piemērotā diapazonā frekvenču spektra apakšā.

3.2. attēls. Atstarots spektrs priekšplūsmām un atpakaļgaitā

Lai ģenerētu w T var izmantot fāzes bloķēšanas sistēmu. Izteiksim vērtību w Tšādā veidā:

(3.2)

kur w het ģenerē fiksēts zemfrekvences oscilators. Tāpēc ka w T atsaukts no w 0, nav dreifēšanas w 0 neizraisīs atgūtā signāla novirzi. Tas ir skaidrs w het jābūt augstākai par augstāko paredzamo Doplera frekvenci.

Pēc augstās frekvences noraidīšanas šeit būs divas spektrālās joslas,

un spektra līnija w het.

Pēc tam noņemšanai var izmantot ļoti stingru iecirtumu filtru w het , bet ar modernu tehniskā pieeja priekšroka tiek dota procesora apstrādei, nevis analogajai tehnoloģijai. FFT ļauj tieši aprēķināt spektru un ignorē w het.

3) Fāzes rotācija

Sakarā ar prasībām, kas formulētas divās iepriekšējās metodēs, Nipp et al. (1975) raksta galvenā daļa ir veltīta fāzu nobīdes sistēmai. Metode, uz kuras ir balstīta šī sistēma, ir līdzīga fāzes-kvadratūras noteikšanai, kā parādīts 3.3. attēlā, ko izmanto telekomunikāciju inženierijā. Tas ietver divus elementus, kas novirza fāzi tieši par 90°, kā parādīts zemāk.

3.3. attēls. Fāzes-kvadratūras noteikšana

Ērtības labad ilustrācijai tiek izmantots atsevišķs atstarotā spektra ātruma komponents no izteiksmes (3.1):

(3.3)

Reizinot atstaroto signālu ar fāzes nobīdes pārraides frekvenci, mēs iegūstam:

(3.4)

Lietošana trigonometriskā identitāte un filtrējot augstfrekvences līdzstrāvas komponentu, tiks iegūts:

(3.5)

vai

(3.6)

Bet signāls Va pēc tam nobīdās par 90° un formulu (3.6) attēlo kā

(3.7)

Pēc vienkāršošanas mēs nonākam pie izteiksmes:

(3.8)

Attiecīgi, reizinot atspoguļoto signālu ar pārraides frekvenci

Dcos w 0 t noved pie

(3.9)

Pēc vienkāršošanas un filtrēšanas izteiksme tiek samazināta līdz

(3.10)

Tad izejas signāli izskatās šādi:

(3.11) (3.12)

Formulēsim divus nepieciešamie nosacījumi normālai sistēmas darbībai:

Amplitūdām DB signālos Y"A un Y"B jābūt vienādām absolūtā vērtībā, lai summēšanas un atņemšanas procedūras izteiksmēs (3.11.) un (3.12.) būtu pareizs. Līdzīga prasība attiecas uz amplitūdām DF. Tas prasīs dažus iestatījumus signāla pastiprinātājam, kas atrodas sistēmā. Signāls Nipp et al. (1979) izstrādātajā sistēmā atšķiras par mazāk nekā 0,2 dB.

Abiem 90 grādu fāzes pārslēdzējiem vajadzētu labi darboties visā frekvenču diapazonā. Augstfrekvences fāzes pārslēdzējam ir salīdzinoši zema izplatīšanās frekvence, tāpēc tas ir mazāk prasīgs konstrukcijas ziņā. Otrais zemfrekvences fāzes pārslēdzējs aptver plašu diapazonu. Saskaņā ar Nipp et al. (1975) viņu sistēmā izmantotais dizains bija astoņas polaritātes. Uz tranzistoru bāzes filtrs, kas griežas par 90° ±0.6° visā diapazonā no 50 Hz līdz 7.5 kHz. Dikaja (1975) publicētajā shēmā tiek izmantoti darbības ampēri, lai radītu 90 grādu fāzes nobīdi diapazonā no 100 Hz līdz 10 kHz.

Pateicoties digitālo ierīču priekšrocībām, mūsdienu versijā sistēmas zemfrekvences daļa: filtrēšana, fāzes nobīde, saskaitīšana un atņemšana tiek veikta digitāli. Digitālās sistēmas ir vairāk orientētas uz nākotni un ļoti stabilas darbībā, jo iestatījumi nav atkarīgi no sistēmas komponentu vērtības, atšķirībā no analogajām sistēmām, kuru parametri mainās atkarībā no vecuma un temperatūras.

3.2. Asins plūsmas mērīšana

Asins plūsmas ātruma mērīšana notiek svarīga vieta vairākās medicīnas jomās. Tomēr ir grūti tieši izmērīt šo ātrumu. Tālāk ir norādītas dažas medicīnas jomas, kurās ir noderīga informācija par plūsmas ātrumu.

Lai novērtētu sirds parametrus, ir jāzina asinsrites ātrums. Pašlaik tiek izmantota atšķaidīšanas metode. Auksts ūdens tiek ievadīts artērijā un maina vidējo temperatūru, ar kuru var aprēķināt asins atšķaidīšanas pakāpi un līdz ar to tilpumu. Acīmredzot, tāpat kā jebkura invazīva procedūra, tā rada diskomfortu, turklāt tā nav bez riska pacientam.

Nodrošinājuma izpētei iekšējie orgāni augļa skābeklis ir nepieciešams, lai noteiktu nabassaites caurlaidību. Kad nabassaite ir bojāta, spiediens mātei palielinās. Augstspiediena ir stāvokļa, kas pazīstams kā preeklampsija, pazīme un var būt bīstama mātei un bērnam. Ultraskaņu var izmantot, lai noteiktu ātruma komponentus, bet ne pilna vērtība plūsmas ātrums.

Dažas asins plūsmas mērīšanas jomas, kurās tilpuma plūsmas ātrums nav nepieciešams, bet ir nepieciešami tikai atsevišķi ātruma profila izmaiņu mērījumi.

- Daļēja tromba izraisīta blokāde var izraisīt plūsmas ātruma palielināšanos obstrukcijas tuvumā. Vienkāršākajā veidā pārnēsājamu audio frekvences izvades ultraskaņas raidītāju var izmantot, lai noteiktu asins recekļa atrašanās vietu.

Audzēja augšanu raksturo stadija, kurā, lai uzturētu augšanu, audzējā ir jāattīstās asinsvadu sistēmai. Wells et al. (1977) publicēja rakstu par Doplera signāla nobīdi, ko palielina mikrocirkulācijas krūts vēža gadījumā. Jauno trauku struktūra audzējā atšķiras no normāliem audiem, tā diametrs ir daudz lielāks, sienas ir plānākas un trūkst spiedes elementu. Berne et al. (1982) ziņo, ka spektra Doplera nobīde no asins plūsmas krūts audzēja tuvumā un tajā ir atšķirīgs raksturs, un uz to var izstrādāt noderīgu diagnostikas procedūru.

Pašlaik ultraskaņas attēlveidošanas sistēmas ir ļoti labi attīstītas. Dupleksās sistēmas ne tikai parāda attēlu, bet arī var attēlot Doplera mērījumu attēlā atlasītajā vietā, novietojot kursoru virs monitorā redzamā attēla. Dažas dupleksās sistēmas kodē attēla krāsu, lai Doplera nobīdītā straume citos vienkrāsainos attēlos parādās kā sarkanas vai zilas nokrāsas. Turklāt zaļo krāsu var izmantot kā signāla opcijas funkciju. Tādā veidā klīnicisti var redzēt, kur plūsma ir no vai uz parauga vietu, un, ja turbulences ir attēlotas zaļā krāsā, sarkanais un zilais maisījums rada attiecīgi dzeltenu vai zilu ēnojumu.

Varētu domāt, ka ar sarežģītām dupleksajām sistēmām ir iespējams ticami novērtēt plūsmas ātrumu, izmērot trauka diametru un mērot vidējo plūsmas ātrumu, pamatojoties uz Doplera nobīdi. Diemžēl papildus problēmām, kas saistītas ar uzticama vidējā ātruma aplēses iegūšanu no atspoguļotā signāla, kā aprakstīts iepriekš, pastāv vairākas citas problēmas:

- Kuģi nedrīkst būt apaļi;

- asinsvada diametrs var atšķirties sistoles un diastoles garumā;

- plūsmas režīma veids sirds cikla laikā var mainīties, tāpēc vidējā ātruma aplēses var būt kļūdainas;

- Vidējā šķērsgriezuma un vidējā ātruma novērtējums sirds cikla laikā nedos pareizu vidējā plūsmas ātruma mērījumu, jo abi lielumi ir nelineāri. Mēģinājums vienlaicīgi izmērīt vidējo ātrumu un šķērsgriezumu ir grūti signāla apstrādes ierobežojumu dēļ.

Daudzām mūsdienu dupleksajām sistēmām ir algoritmi asins plūsmas vērtības aprēķināšanai, un saprātīgus aprēķinus var iegūt traukiem ar diametru no 4 līdz 8 mm (Ivane et al., 1989).

No otras puses, populāri ir kļuvuši daži plūsmas lieluma aprēķini, kurus var veikt medicīniskiem nolūkiem piemērotā veidā. Maksimālās frekvences nobīdes mērīšana ir salīdzinoši tieša metode, un tā var būt noderīga, lai gūtu ieskatu plūsmas anomālijās. 3.4. attēlā parādīts iespējamais izmaiņu veids vienā sirds ciklā, kas parādīts tikai plūsmai uz priekšu. Mo et al. (1988) salīdzina dažādas metodes maksimālās frekvences aplēses.

Lai gan pētījumos dažreiz tiek izmantota "ūdenskrituma" attēlveidošana, lielākā daļa mūsdienu Doplera asins plūsmas analīžu parāda FFT spektru vertikāli orientētu kadru (kadru) rezultātā. Vienkārša rāmja atrašanās vieta ir parādīta attēlā. 3.4. Šie attēli tiek iegūti slīdošā formātā uz monitora un atbilst sonogrammām. Informācija par intensitāti atrodas uz z ass (ārpus attēla) un parādīts kā krāsu kods šāda veida analīzē.

Savākto datu izpratne kļūst par atpazīšanas sistēmu uzdevumu. Gadu gaitā ir izgudroti daudzi algoritmi, cenšoties automatizēt turpmāko informācijas ieguves procesu. Tiek piesaistīti sekojoši parametri mērījumi:

- patēriņš S/ D;

- pulsācijas indekss:

S - D/ vidējais ātrums (3,13)

- Parselot pretestības indekss:

(S - D)/ S (3.14)

3.4. attēls. Tipiskā maksimālā Doplera frekvence sirds ciklā

Lai iegūtu S vērtību, sākotnēji ir jāpieņem dažas sliekšņa vērtības. Lietojot zemas caurlaidības filtrus, jārūpējas, lai vērtības D neietekmē ārējās vibrācijas. Vidējais ātrums tiek aprēķināts visam sirds cikla periodam, ko ērti izdarīt, izmantojot mainīgo vidējo un FFT algoritmu.

Lai gan plūsmas mērīšana pastāv jau tūkstošgadi, joprojām ir jāveic daudz pētniecības darbu. Turklāt darba ierīču projektēšanai ir nepieciešams ekspertu vērtējums visā inženierfizikas jomā.

3.3. Matemātiskās pamatattiecības

Doplera efekts mēra:

- ātrums

- dreifs, lai noteiktu zemes ātruma vektoru

- cieto ķermeņu kustības ātrums

- šķidras vai granulētas vides plūsmas ātrumi

- šķidruma plūsma

- signāla frekvences maiņa

Doplera mērītāju darbs ir balstīts uz Doplera efekta izmantošanu nepārtrauktas starojuma režīmā. Doplera efekta būtība ir tāda, ka svārstību frekvence f q, kas saņemts no jebkura avota, nav vienāds ar šī avota izstaroto svārstību frekvenci, ja svārstību avots un uztvērējs pārvietojas viens pret otru.

Frekvences izmaiņas ir lielākas, jo lielāks ir uztvērēja un raidītāja kustības ātrums viens pret otru, un, ja avots tuvojas uztvērējam, tad saņemtā frekvence būs augstāka nekā izstarotā un otrādi. Tas pats efekts rodas, ja raidītājs un uztvērējs atrodas nekustīgi viens pret otru un atrodas lidmašīnā (LA), un vibrācijas tiek uztvertas pēc atstarošanas no zemes virsmas.

Saņemtā signāla frekvences novirzes lielumu sauc par Doplera frekvences nobīdi vai Doplera frekvenci. f d:

f pr = f+ f d (3,15)

Doplera frekvences nobīdes vērtību nosaka vienādība

F d=; (3.16)

Kur W s ir gaisa kuģa pilna ātruma projekcija starojuma virzienā;

l- raidītāja izstaroto vibrāciju viļņa garums.

Ar gaisa kuģi saistītajā koordinātu sistēmā (gaisa kuģa koordinātu sistēma X, Plkst, Z), starojuma virzienu S nosaka leņķi ? Un d, saskaņā ar 3.5. attēlu,

Kur ? - leņķis starp gaisa kuģa gareniskās ass virzienu X un starojuma virzienu S;

d- leņķis starp gaisa kuģa vertikālās ass pretējo virzienu Y un projekcija S yz starojuma virziens S uz lidmašīnu YZ.

Gaisa kuģa LA W pilna ātruma vektoru gaisa kuģa koordinātu sistēmā var sadalīt trīs komponentos: W x , W y , W z , saskaņā ar 3.5. attēlu.

Pilna ātruma komponentu projektēšana W x , W y , W z uz starojuma virzienu S un, tos apkopojot, mēs iegūstam:

W s= W x omulīgs - W Y cos8 cos(90°-y) + W z cos(90°-8) cos(90°--y),

vai

W s= W x omulīgs -W y cos5 zils + W z sin5 zils. (3.17)

3.5. attēls. Zemes ātruma un starojuma virziena savstarpīgums gaisa kuģa koordinātu sistēmā

f = ~W xcosY--W Ycos8sinY + -W zsm5sinY. (3.18)

Tā kā vienādojums (3.18) satur trīs nezināmos, tad, lai noteiktu visas kopējā ātruma sastāvdaļas ( W x; W Y , W z) ir nepieciešami trīs (3.18.) tipa vienādojumi, kurus var iegūt, izmantojot antenu sistēmu ar trim nekoplanāriem (neatrodas vienā plaknē) stariem.

Lai vienkāršotu aprēķinus, tiek izvēlēti antenas staru skata leņķi:

.

Aizvietojot katra stara leņķa vērtības vienādojumā (3.18), mēs iegūstam vienādojumu sistēmu Doplera frekvenču absolūtajai vērtībai katram antenas staram:

(3.19)

Izmantojot sistēmas (3.19) izteiksmes, nosakām aptuvenās vērtības W x (1) , W y(1) , W z (1) gaisa kuģa W kopējā ātruma sastāvdaļas:

(3.20)

Formulas (3.20) ir pirmais tuvinājums, jo tajās nav ņemts vērā:

- antenas staru reālā trauslā skata novirze no nominālajiem;

- Doplera frekvences nobīde, ko nosaka atstarojošās virsmas raksturs;

- raidītāja izstarotā svārstību viļņa garuma reālā vērtība.

Pirmo kļūdas komponentu var samazināt līdz pieņemamai vērtībai, izmērot staru reālo skata leņķu novirzi no to nominālvērtības un ieviešot šo noviržu korekcijas borta datorā, kas savienots ar DISS vai specializētiem datoriem, kas ir daļa no PNK.

Otrā kļūdas sastāvdaļa rodas Doplera spektra deformācijas un tā maksimuma nobīdes uz zemām frekvencēm rezultātā, kas ir saistītas ar atstarošanas koeficienta o izmaiņām antenas starā.

Atstarošanas koeficients a kopumā ir atkarīgs no krišanas leņķa B (3.5. attēls), un šī atkarība dažādām atstarojošām virsmām ir atšķirīga (3.6. attēls).

3.6. attēls. Atstarošanas koeficienta atkarība no antenas stara krišanas leņķa dažādām atstarojošām virsmām

Atkarības grafiki atbilst šādiem virsmu veidiem: I - jūra, 7-8 punkti; P - mežs; Ш - sniegs; IV - zaļa zāle; V - jūra, 1 punkts.

No grafikiem 3.6. attēlā redzams, ka atstarošanās spēja visvairāk mainās atkarībā no krišanas leņķa uz jūras virsmu (V diagramma), tāpēc šo parādību bieži dēvē par “jūras efektu”.

Rezultātā tiek izkropļots atstaroto signālu spektrs antenas starā, tajā palielinās zemo frekvenču jauda un samazinās augsto frekvenču jauda, ​​jo zemās frekvences atbilst punktiem, kas apstaroti ar lielāku krišanas leņķi B nekā punkti, kas atbilst augstas frekvences.

Rezultātā no zemes virsmas atspoguļotā signāla spektra maksimālā jauda mainās un līdz ar to arī spektra vidējā Doplera frekvence. Apiņu nobīdes vērtība svārstās no 0 līdz 3% un rada kļūdu gaisa kuģa ātruma mērīšanā atstarojošās virsmas rakstura dēļ.

Ja ņemam divus punktus uz atkarības līknes q no krišanas leņķa, kas atbilst dažādiem krišanas leņķiem, piemēram, B 1 un IN 2 , tad starpība starp šiem punktiem atbilstošo atstarošanas koeficientu logaritmiem būs proporcionāla lēcienam.

Pamatojoties uz šo atkarību, piemēram, mērītājā DISS-7 tiek aprēķināta atstarojošās virsmas rakstura korekcija, salīdzinot divos staros saņemto signālu jaudas (stariem 1. un 4. 3.7. att. slīpi pret atstarojošo). virsma dažādos krišanas leņķos B 3 un IN 4 . Jaudas attiecību ceturtajam un pirmajam uztverošās antenas staram nosaka atstarojošās virsmas raksturs.

3.7. attēls - DISS-7 antenas staru izkārtojums

Šī attiecība ļauj mums aprēķināt Doplera spektra nobīdi A lēkt un izvadīt to sistēmām, kas savienotas ar skaitītāju sprieguma veidā G hop - Vērtība U hop, kas saistīts ar D apiņu attiecība

U hop = K hop* D hop (3.21)

Kur K apiņš ir nemainīgs mēroga faktors.

Pilna ātruma projekcijas vērtības W x , W Y , W z, ņemot vērā Doplera spektra nobīdi atstarojošās virsmas rakstura dēļ un antenas staru reālo skata leņķu un raidītāja frekvences novirzi no to nominālajiem.

DISS-7 skaitītājā tiek pieņemts, ka W x= W x , W Y= W y , W z= W z .

DISS-15 skaitītājā atstarojošās (virsmas) rakstura korekciju veic ar slēdzi LAND-SEA.

Pilna ātruma sastāvdaļu aprēķins W x , W Y , W z tiek veikta borta datorā vai specializētos navigācijas datoros pēc DISS skaitītāja sniegtajiem datiem.

3.4 Doplera efekta pielietošana

doplera radars

Radars, kas mēra no objekta atstarotā signāla frekvences izmaiņas. No frekvences izmaiņām tiek aprēķināta objekta ātruma radiālā komponente (ātruma projekcija uz taisnu līniju, kas iet caur objektu un radaru). Doplera radarus var izmantot dažādās jomās: gaisa kuģu, kuģu, automašīnu, hidrometeoru (piemēram, mākoņu), jūras un upju straumju, kā arī citu objektu ātruma noteikšanai.

Astronomija

3.8. attēls. Pierādījums Zemes rotācijai ap Sauli, izmantojot Doplera efektu.

- Pārbīdot spektra līnijas, tiek noteikts zvaigžņu, galaktiku un citu debess ķermeņu kustības radiālais ātrums

Doplera efekta izmantošana spektrā debess ķermeņi tiek noteikts to radiālais ātrums. Gaismas svārstību viļņu garuma maiņa noved pie tā, ka visas spektrālās līnijas avota spektrā tiek nobīdītas uz gariem viļņiem, ja tā radiālais ātrums ir vērsts prom no novērotāja (sarkanā nobīde), un uz īsajām, ja radiālā ātruma virziens ir pret novērotāju (violeta nobīde). ). Ja avota ātrums ir mazs salīdzinājumā ar gaismas ātrumu (300 000 km/s), tad radiālais ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu, kas reizināts ar jebkuras spektra līnijas viļņa garuma izmaiņām un dalīts ar tās pašas līnijas viļņa garumu. stacionārā avotā.

Palielinot spektra līniju platumu, nosaka zvaigžņu temperatūru

Neinvazīva plūsmas mērīšana

Doplera efekts mēra šķidrumu un gāzu plūsmas ātrumu. Šīs metodes priekšrocība ir tāda, ka nav nepieciešams novietot sensorus tieši plūsmā. Ātrumu nosaka ultraskaņas izkliede uz barotnes neviendabīgumu (suspensijas daļiņas, šķidruma pilieni, kas nesajaucas ar galveno plūsmu, gāzes burbuļi).

auto signalizācijas

Lai noteiktu kustīgus objektus automašīnas tuvumā un iekšpusē

Koordinātu noteikšana

Cospas-Sarsat satelītu sistēmā avārijas raidītāja koordinātas uz zemes nosaka satelīts no no tā saņemtā radio signāla, izmantojot Doplera efektu.

4 . Kļūdu avoti, kas ierobežo mērījumu precizitāti, pamatojoties uz šo fizisko efektu

Šī efekta rašanās dēļ var rasties šāda veida kļūdas:

Instrumentālās / instrumentālās kļūdas - kļūdas, ko nosaka izmantoto mērinstrumentu kļūdas un ko izraisa darbības principa nepilnības, skalas gradācijas neprecizitāte, ierīces slikta redzamība;

Metodoloģiskās kļūdas - kļūdas, kas radušās metodes nepilnības dēļ, kā arī metodoloģijas pamatā esošie vienkāršojumi;

Subjektīvas / operatora / personīgās kļūdas - kļūdas, kas radušās operatora vērības, koncentrēšanās, sagatavotības un citu īpašību dēļ.

Galvenie kļūdu avoti ir:

Ierīces daļu mehāniskā deformācija temperatūras izmaiņu dēļ;

Sensoru magnētiskie traucējumi;

Elektrostatiskais lauks;

Magnētiskie lauki no ierīcēm, kas atrodas skaitītāja tiešā tuvumā, var ietekmēt skaitītāja metāla sastāvdaļas.

Doplera zemes ātruma un dreifēšanas leņķa mērītājs DISS-7 ir paredzēts nepārtrauktai automātiskai kopējā zemes ātruma vektora komponentu aprēķināšanai gaisa kuģu koordinātu sistēmā XYZ.

Tas ir līdzvērtīgs zemes ātruma, novirzes leņķa un leņķa mērīšanai vertikālajā plaknē starp un vektoriem, kur ir zemes ātruma vektors, kas ir kopējā zemes ātruma vektora projekcija uz horizontālo plakni.

DISS-7 darbojas kā daļa no PNK lidojumu un navigācijas kompleksa, un tam ir šādi veiktspējas dati.

Taktiskie un tehniskie dati DISS-7:

Starojuma veids - nepārtraukts;

Augstas kvalitātes svārstību starojuma frekvence normālos klimatiskajos apstākļos, citos klimatiskajos apstākļos - MHz;

Raidītāja jauda nav< 2 Вт;

Mērīto Doplera frekvenču diapazons 1,5 h 32 kHz;

Antenas staru pārslēgšanas frekvence 2,5 ± 0,25 Hz;

Laiks nepārtraukts darbs 12 stundas;

Darba augstumu mēra no 200 līdz 20000 m, pie sānsveres un slīpuma leņķiem ne > ± 30 grādiem un augstumā no 20000 līdz 30000 m pie un ne > ± 5 grādiem;

Lidojot virs ūdens virsmas, DISS-7 nodrošina mērījumus vismaz 2 punktu viļņos;

Uztvērēja jutība nav sliktāka par 113 dB/mW;

Vidējā mērījuma kļūda nav > 0,9%;

Metra svars 29 kg;

Kopējie izmēri 666 x 406 x 231 mm;

Barošanas spriegumi:

~ 115 V, 400 Hz, ar strāvas patēriņu līdz 2 A;

27 V, ar strāvas patēriņu līdz 2,5 A;

Lietošanas noteikumi:

Apkārtējās vides temperatūra no mīnus 60 līdz plus 60 ° С;

Relatīvais gaisa mitrums pie + 35 °C ne > 98%;

Gaisa spiediens, ne< 15 мм рт. ст.

Pašlaik plaši tiek izmantoti autonomie gaisa kuģu navigācijas līdzekļi. Pie to skaita pieder arī objekta ātruma vektora Doplera metri. Visizplatītākie no tiem ir Doplera zemes ātruma un dreifēšanas leņķa mērītāji (DISS).

Ar lidaparāta ātrumu uz zemes parasti saprot tā ātruma horizontālo projekciju attiecībā pret zemes virsmu. Zemes ātrumu W ar gaisa ātrumu V un vēja ātrumu U saista ar navigācijas trīsstūri, kurā leņķi φ starp gaisa ātruma un zemes ātruma vektoriem sauc par dreifēšanas leņķi, jo to rada vējš. Doplera mērītājs ļauj tieši noteikt zemes ātrumu no zemes virsmas atspoguļotā signāla frekvenču spektra, pamatojoties uz Doplera efektu, kas sastāv no objekta atstarotā signāla frekvences maiņas atkarībā no šī objekta ātruma. .

Gaisa kuģa horizontālajā lidojumā, lai nodrošinātu pietiekami lielu ātruma vektora W projekciju apstarošanas virzienā un saglabātu būtisku atstarojumu no virsmas DISS virzienā, tiek izmantota slīpās virsmas apstarošana.

Ja virsmas atstarojošās īpašības apstarotajā zonā ir aptuveni vienādas, tad atstarotā signāla frekvenču spektra apvalka formu nosaka skaitītāja stara forma vertikālajā plaknē. Šajā gadījumā signālam pie spektra vidējās frekvences, kas atbilst AP ass virzienam, ir maksimālā jauda.

Lai izmērītu gaisa kuģa ātrumu uz zemes, ir jāatrod Doplera spektra vidējā frekvence Fw 0 . Ja vektors W ir horizontāls un veido leņķi r ar DN asi horizontāli un iekšā 0 vertikālās plaknēs, tad:

Ja apstarošanas virziens horizontālajā plaknē sakrīt ar vektoru W, tad leņķis r=0 un pieaugums sasniedz maksimumu:

Ja zināms l u un iekšā 0 , tad ceļa ātrumu W var noteikt ar tiešu mērījumu fw T izmantojot frekvences skaitītāju.

Tomēr viena stara radio ātruma mērītājus neizmanto ļoti zemas mērījumu precizitātes dēļ. Šo neprecizitāti, pirmkārt, izraisa DND ass izlīdzināšanas ar vektoru W neprecizitāte mērījumu kļūdas dēļ. Otrs svarīgais kļūdu iemesls ātruma mērīšanā ar viena stara instrumentu ir gaisa kuģa sānsvere. Šī kļūda sasniedz 0,05% no instrumenta rādījumu novirzes no patiesā ātruma katrai lidmašīnas sasvēršanās pakāpei.

Ritināšanas kļūdu var kompensēt, stabilizējot gaisa kuģa antenu horizontālā plaknē vai ieviešot ripojuma korekcijas datu apstrādes laikā skaitļošanas ierīcē. Taču tas, protams, noved pie kalkulatora sarežģītības un svēršanas, nenovēršot viena stara mērīšanas metodes organiskos trūkumus, kas ietver arī augstas prasības izmērīto svārstību frekvences stabilitātei.

Vissaprātīgākais veids, kā palielināt ātruma mērījumu precizitāti, ir izmantot daudzstaru mērītājus, kas izstaro divos, trīs vai četros virzienos.

Daudzstaru ātruma vektora mērītāji, pamatojoties uz Doplera efektu, tiek sadalīti lidmašīnās un helikopteros. Lidmašīnās DISS tiek mērīta ātruma vektora gareniskā un šķērseniskā komponente, savukārt helikopteru sistēmās tiek mērīta arī ātruma vertikālā komponente. Turklāt lidmašīnām DISS ātruma vektora zīme nav iepriekš zināma, kas lidojuma režīmā var būt nulle. Mērīto ātrumu maksimālās vērtības, mērījuma augstuma griesti atšķiras - gaisa kuģu sistēmām tie ir desmit reizes lielāki. Tomēr helikopteru mērītāju izvaddatu apjoms ir lielāks, jo ir jāmēra pilna ātruma vektors. Helikopteri DISS tiek izmantoti arī kosmosa kuģu mīkstai nolaišanai, bet lidaparāti - spārnotās raķešu un ekranoplānu vadīšanai.

4.1. attēls - DISS strukturālā diagramma

Ātruma vektora mērītāja, kura vienkāršota strukturālā diagramma ir parādīta attēlā, sastāvs ietver antenas ierīci, kas veido trīs vai četrus starus, raiduztvērēju, signālu apstrādes ierīci, ātruma komponentu kalkulatoru un displeja ierīci. Parasti DISS dati tiek ievadīti tieši sistēmā automātiskā vadība LA.

Apskatīsim daudzceļu DISS darbības principu horizontālajam lidojumam, kurā vektors W vienmēr ir vērsts uz priekšu un nav vertikālā ātruma komponentes. Lai saprastu trīs vai četru staru izmantošanas nepieciešamību, vispirms izpētīsim divu staru sistēmas.

Mērot zemes ātrumu un dreifa leņķi, antenas sistēma tiek pagriezta, līdz sakrīt signālu spektri uztvērēja kanālu izejā, kas atbilst diviem antenas stariem. Šajā gadījumā staru simetrijas ass ir saskaņota ar vektoru W, un leņķis starp šo asi un gaisa kuģa asi vienāds ar leņķi nojaukšana c. Divstaru sistēmas precizitāte ir augstāka nekā viena stara sistēmas precizitāte, jo, pagriežot antenu, stari šķērso vienādu frekvenču līnijas leņķī, kas ir tuvu taisnajam, un tas nodrošina lielāku jutību. sistēma.

Ja mērījuma laikā frekvenču vienādība fw 1 Un fw 2 konstatēts neprecīzi, tas noved pie kļūdas, nosakot novirzes leņķi, tomēr gandrīz 30 reizes mazāk nekā viena stara sistēmai. Tomēr kļūda, kas rodas no ripas, paliek aptuveni tāda pati kā viena stara sistēmai, tas ir, nepamatoti augsta.

Zemes ātruma mērījumu precizitāte ir ievērojami uzlabota, izmantojot divvirzienu sistēmas ar priekšējo un atpakaļgaitā virzāmu staru kūli. Šāds konstruktīvs risinājums ļauj vēl 3-5 reizes samazināt ceļa ātruma mērīšanas kļūdas. Tomēr novirzes leņķa mērīšanas kļūda paliek gandrīz tāda pati kā viena stara sistēmai.

Acīmredzami, ka vienlaicīgu gan dreifēšanas leņķa, gan ceļa ātruma mērījumu precizitātes palielināšanu var panākt, tikai sistēmā izmantojot trīs vai četrus starus.

Panākot starpības frekvenču vienādību, pagriežot antenas sistēmu, no antenas sistēmas stāvokļa attiecībā pret lidmašīnas asi var noteikt dreifēšanas leņķi, bet no izmērītās starpības frekvences – zemes ātrumu.

Kad antenas sistēma ir fiksēta attiecībā pret lidmašīnas asi, W un u vērtības tiek atrastas, risinot vienkāršus vienādojumus, izmantojot skaitļošanas ierīci.

Četru staru sistēma apvieno garenvirziena un šķērsvirziena divu staru sistēmu priekšrocības, kas ietver ievērojamu kļūdu samazināšanos aparāta garenvirziena un šķērsvirziena dēļ, jo to ietekme praktiski tiek kompensēta, atņemot Doplera nobīdes pretējā virzienā. virzīti stari. Augsta jutība pret Doplera nobīdes izmaiņām tiek saglabāta, kad gaisa kuģa ass novirzās horizontālā plaknē, kas ļauj ar augstu precizitāti atrast dreifēšanas leņķi vai šķērsvirziena ātruma komponenti. Liela sistēmas priekšrocība ir arī īstermiņa frekvenču stabilitātes prasību samazināšana, jo mijiedarbojošo kanālu signāli nāk no aptuveni vienāda attāluma un to laika nobīde ir neliela. Praktiski tādus pašus rezultātus var iegūt, ja sistēmā tiek izmantotas trīs sijas.

DISS tehniskā konstrukcija lielā mērā ir atkarīga no izvēlētā starojuma režīma. Pašlaik tiek izmantotas nepārtraukta starojuma sistēmas bez modulācijas vai ar frekvences modulāciju, kā arī sistēmas ar mazu un lielu darba ciklu impulsu starojumu.

Nepārtrauktas emisijas sistēmas bez modulācijas galvenā priekšrocība ir atstarotā signāla spektra koncentrācija vienā frekvenču joslā, kas nodrošina vispilnīgāko signāla enerģijas izmantošanu, kā arī salīdzinoši vienkārša raidītāja, uztvērēja un indikatora ierīce. Šīs sistēmas trūkums ir ļoti augsts fāzes un amplitūdas modulētā trokšņa līmenis, kas noved pie uztvērēja jutības samazināšanās.

Lai samazinātu trokšņa ietekmi, tiek izmantotas sistēmas ar frekvences vai impulsa modulāciju. Frekvences modulācija ir kļuvusi plaši izplatīta.

Lai izmantotu impulsa starojumu, vienā lidmašīnā tiek izmantotas divas antenas. Šī metode palielina sistēmas svaru un sarežģītību.

DISS izmantošana, īpaši kombinācijā ar navigācijas līdzekļiem, piemēram inerciālā sistēma navigācijas sistēma, gaisa ātruma sensors, vertikālais virziens, goniometriskā maza darbības attāluma navigācijas sistēma, liela attāluma navigācijas radiosistēma, gaisa radars, var ievērojami palielināt lidojuma vadības uzticamību un precizitāti, tāpēc radio ātruma mērītājs ir kļuvis par lidojuma neatņemamu elementu un navigācijas sistēmas.

SECINĀJUMS

Doplera efekts tiek plaši izmantots gan zinātnē, gan ikdienas dzīvē. Visā pasaulē to izmanto policijas radaros, lai notvertu un sodītu noteikumu pārkāpējus. satiksmeātruma pārsniegšana. Radara lielgabals izstaro radioviļņu signālu (parasti VHF vai mikroviļņu diapazonā), kas atlec no jūsu automašīnas metāla korpusa. Signāls atgriežas radarā ar Doplera frekvences nobīdi, kuras vērtība ir atkarīga no transportlīdzekļa ātruma. Salīdzinot izejošā un ienākošā signāla frekvences, ierīce automātiski aprēķina jūsu automašīnas ātrumu un parāda to ekrānā.

Doplera efekts atrada nedaudz ezotēriskāku pielietojumu astrofizikā: jo īpaši Edvins Habls, pirmo reizi jaunākajā teleskopā mērot attālumus līdz tuvākajām galaktikām, vienlaikus atklāja sarkanā Doplera nobīdi to atomu starojuma spektrā, no kura tika secināts, ka galaktikas attālinās no mums. Patiesībā tas bija tikpat nepārprotams secinājums, it kā jūs aizvērtu acis un pēkšņi dzirdētu, ka pazīstama modeļa automašīnas motora tonis izrādījās zemāks nekā nepieciešams, un secināja, ka automašīna attālinās no jums. Kad Habls arī atklāja, ka jo tālāk atrodas galaktika, jo spēcīgāka ir sarkanā nobīde (un jo ātrāk tā aizlido no mums), viņš saprata, ka Visums paplašinās. Tas bija pirmais solis ceļā uz Lielā sprādziena teoriju.

Visspilgtākais ir tas, ka Doplera efekts darbojas arī tad, ja svārstību frekvences ir milzīgas, piemēram, radioaktīvā starojuma gadījumā, un avota un absorbētāja relatīvie ātrumi ir tikai milimetri sekundē. Tas ir, gamma staru enerģija Doplera efekta ietekmē mainās ļoti maz. To izmanto kodolgamma rezonanses spektrometros (Mössbauer spektrometros).

IZMANTOTĀS LITERATŪRAS SARAKSTS AVOTI

1 Džeksons R.G. Jaunākie sensori, 2007. - 352 lpp.

2 Flerovs A.G. Doplera ierīces un navigācijas sistēmas / A. G. Flerovs, V. G. Timofejevs - M.: Transports, 1987. - 191 lpp.

3 Krasiļņikovs A. S. Skaņas un ultraskaņas viļņi gaisā, ūdenī un cietvielas/ A. S. Krasiļņikovs - 3. izd. - M., 1960. - 327 lpp.

4 Enohovičs A. S. Īsa uzziņu grāmata par fiziku / A. S. Enohovičs - 2. izd. - M.: Augstskola, 1976. - 288s.

5 Osipovs M. L. Radiotehnika / M. L. Osipovs. - M., 1995. gads.

6 Bunkins B. V. Vēstules ZhTF / B. V. Bunkins. - M., 1989. gads.

7 Van Tries, G. Detection, aplēses un modulācija teorija / G. Van Tries. - K., 1987. gads. - 187 lpp.

8 Tihonovs V. I. Optimāla signāla uztveršana / V. I. Tihonovs. - M., 1979. gads. - 153 lpp.

9 Kuļikovs E.I. Signāla parametru novērtējums uz traucējumu fona / E.I. Kuļikovs, A.P. Trifonovs. - M., 1983. gads. - 97 lpp.

Mitināts vietnē Allbest.ru

Līdzīgi dokumenti

Metožu apraksts informācijas mērīšanai no žiroskopiskās orientācijas un navigācijas sistēmām (GSOiN). Mössbauer efekta pielietošana nelielu attālumu, ātrumu un leņķu mērīšanai. Ierīces izstrāde informācijas izgūšanai no GSOiN, pamatojoties uz Mössbauer efektu.

diplomdarbs, pievienots 29.04.2011


Ultraskaņas (ASV) iekārtu izmantošana. Doplera efekta būtība. Universāls ultraskaņas vibrāciju raidītājs. Digitālā aizkave ar atmiņu fokusa pārraidei. Mūsdienu ultraskaņas skenera analogais ceļš. Atbalss signālu logaritmiskā pārveidošana.

kontroles darbs, pievienots 14.01.2011


Fizikālo lielumu mērīšanas sistēmas izpēte, pārvēršot tos elektriskos lielumos. Frekvences sensora darbības princips, kas balstīts uz rekombinācijas viļņiem, tā kalibrēšanas iezīmes. Darbības frekvenču diapazons. Ierīces funkcionālā shēma.

kursa darbs, pievienots 01.09.2018


Nepieciešamība izmērīt asins plūsmas ātrumu un virzienu. Doplera metodes un ierīces. Doplera sistēmas ar divdimensiju vizualizāciju. Elektriskās shēmas izstrāde un asins plūsmas mērīšanas ierīces ultraskaņas sensora projektēšana.

diplomdarbs, pievienots 05.07.2010


Gaismas Ramana izkliedes efekta atklāšana (Raman efekts). Optisko pastiprinātāju izmantošana optisko šķiedru sakaru līnijās, kas izmanto nelineāras parādības optiskajā šķiedrā (izkliedes efekts). Pielietojuma shēma, ierīces veidi un īpašības.

abstrakts, pievienots 29.12.2013


Elektriskās metodes fizisko lielumu mērīšanai, izmantojot komerciāli pieejamus sensorus. Galveno kanālu veidu aparatūras ieviešana, sakaru sistēmas struktūra un informācijas avotu un patērētāju informācijas savietojamības nodrošināšana (saskarnes).

tests, pievienots 22.02.2011


Ciparu klasifikācija mērinstrumenti, signālu temporālo vērtību mērīšanas ierīces blokshēmas izstrāde. Pamata mikrokontrollera apraksts un programmatūra. Aparatūras-programmatūras līdzekļi ierīces kontrolei un diagnostikai.

diplomdarbs, pievienots 20.10.2010


Elektrooptiskā Kerra efekta būtība. Gaismas izplatīšanās anizotropā vidē. Elektriskās shēmas mezglu un ieejas pastiprinātāja elementu aprēķins. Analog-digitālā pārveidotāja elementu definīcija un to iekļaušana indikatoros.

Viļņu avots virzās pa kreisi. Tad viļņu frekvence kļūst augstāka (vairāk) kreisajā pusē un zemāka (mazāka) labajā pusē, citiem vārdiem sakot, ja viļņu avots panāk tā izstarotos viļņus, tad viļņa garums samazinās. Ja tas tiek noņemts, viļņa garums palielinās.

Doplera efekts- uztvērēja reģistrēto viļņu frekvences un garuma izmaiņas, ko izraisa to avota kustība un/vai uztvērēja kustība.

Parādības būtība

Doplera efektu ir viegli novērot praksē, kad novērotājam pabrauc garām automašīna ar ieslēgtu sirēnu. Pieņemsim, ka sirēna izdod noteiktu signālu, un tas nemainās. Kad automašīna nekustas attiecībā pret novērotāju, viņš dzird tieši to signālu, ko izdod sirēna. Bet, ja automašīna tuvojas novērotājam, tad skaņas viļņu biežums palielināsies (un garums samazināsies), un novērotājs dzirdēs augstāku signālu, nekā patiesībā izstaro sirēna. Tajā brīdī, kad automašīna pabrauc garām novērotājam, viņš dzirdēs tieši to signālu, ko patiesībā izdod sirēna. Un, kad automašīna brauc tālāk un jau attālināsies, nevis tuvosies, novērotājs dzirdēs zemāku toni skaņas viļņu zemākas frekvences (un attiecīgi lielāka garuma) dēļ.

Svarīgs ir arī gadījums, kad uzlādēta daļiņa pārvietojas vidē ar relatīvu ātrumu. Šajā gadījumā laboratorijas sistēmā tiek reģistrēts Čerenkova starojums, kas ir tieši saistīts ar Doplera efektu.

Matemātiskais apraksts

Ja viļņu avots pārvietojas attiecībā pret vidi, tad attālums starp viļņu virsotnēm (viļņu garums) ir atkarīgs no kustības ātruma un virziena. Ja avots virzās uz uztvērēja pusi, tas ir, panāk tā izstaroto viļņu, tad viļņa garums samazinās, ja tas attālinās, viļņa garums palielinās:

kur ir frekvence, ar kādu avots izstaro viļņus, ir viļņu izplatīšanās ātrums vidē, ir viļņu avota ātrums attiecībā pret vidi (pozitīvs, ja avots tuvojas uztvērējam un negatīvs, ja tas attālinās).

Frekvence, ko ieraksta fiksēts uztvērējs

kur ir uztvērēja ātrums attiecībā pret vidi (pozitīvs, ja tas virzās uz avotu).

Formulā (2) aizstājot biežuma vērtību no formulas (1), iegūstam vispārīgā gadījuma formulu:

kur ir gaismas ātrums, ir avota ātrums attiecībā pret uztvērēju (novērotāju), ir leņķis starp virzienu uz avotu un ātruma vektoru uztvērēja atskaites rāmī. Ja avots radiāli attālinās no novērotāja, tad, ja tas tuvojas - .

Relativistiskais Doplera efekts rodas divu iemeslu dēļ:

• klasisks frekvences maiņas analogs ar avota un uztvērēja relatīvo kustību;

Pēdējais faktors noved pie šķērsvirziena Doplera efekta, kad leņķis starp viļņu vektors un avota ātrums ir vienāds ar . Šajā gadījumā frekvences izmaiņas ir tīri relativistisks efekts, kam nav klasiska analoga.

Kā novērot Doplera efektu

Tā kā parādība ir raksturīga jebkuriem viļņiem un daļiņu plūsmām, to ir ļoti viegli novērot skaņai. Biežums skaņas vibrācijas auss uztver kā skaņas augstumu. Jāgaida situācija, kad tev garām pabrauks ātri braucoša mašīna vai vilciens, izdodot skaņu, piemēram, sirēna vai vienkārši skaņas signāls. Jūs dzirdēsiet, ka, automašīnai tuvojoties jums, slīpums būs augstāks, tad, kad automašīna būs tuvu jums, tas strauji nokritīsies, un tad, attālinoties, automašīna zvanīs uz zemākas nots.

Pieteikums

• Doplera radars ir radars, kas mēra no objekta atstarotā signāla frekvences izmaiņas. No frekvences izmaiņām tiek aprēķināta objekta ātruma radiālā komponente (ātruma projekcija uz taisnu līniju, kas iet caur objektu un radaru). Doplera radarus var izmantot dažādās jomās: gaisa kuģu, kuģu, automašīnu, hidrometeoru (piemēram, mākoņu), jūras un upju straumju, kā arī citu objektu ātruma noteikšanai.

• Astronomija
  • Pārbīdot spektra līnijas, tiek noteikts zvaigžņu, galaktiku un citu debess ķermeņu kustības radiālais ātrums. Ar Doplera efekta palīdzību to radiālo ātrumu nosaka no debess ķermeņu spektra. Gaismas svārstību viļņu garumu maiņa noved pie tā, ka visas spektrālās līnijas avota spektrā tiek nobīdītas uz gariem viļņiem, ja tā radiālais ātrums ir vērsts prom no novērotāja (sarkanā nobīde), un pret īsiem, ja virziens. radiālais ātrums ir vērsts pret novērotāju (violeta nobīde) . Ja avota ātrums ir mazs salīdzinājumā ar gaismas ātrumu (300 000 km/s), tad radiālais ātrums ir vienāds ar gaismas ātrumu, kas reizināts ar jebkuras spektra līnijas viļņa garuma izmaiņām un dalīts ar tās pašas līnijas viļņa garumu. stacionārā avotā.
  • Palielinot spektra līniju platumu, nosaka zvaigžņu temperatūru
• Neinvazīva plūsmas ātruma mērīšana. Doplera efekts mēra šķidrumu un gāzu plūsmas ātrumu. Šīs metodes priekšrocība ir tāda, ka nav nepieciešams novietot sensorus tieši plūsmā. Ātrumu nosaka ultraskaņas izkliede uz barotnes neviendabīgumu (suspensijas daļiņas, šķidruma pilieni, kas nesajaucas ar galveno plūsmu, gāzes burbuļi).
• Apsardzes signalizācijas. Lai noteiktu kustīgus objektus
• Koordinātu noteikšana. Cospas-Sarsat satelītu sistēmā avārijas raidītāja koordinātas uz zemes nosaka satelīts no no tā saņemtā radio signāla, izmantojot Doplera efektu.

Māksla un kultūra

• Amerikāņu komēdijas televīzijas seriāla Lielā sprādziena teorija 1. sezonas 6. sērijā doktors Šeldons Kūpers dodas uz Helovīnu, kuram viņš uzvilka Doplera efektu simbolizējošu kostīmu. Tomēr visi klātesošie (izņemot draugus) domā, ka viņš ir zebra.

Piezīmes

Skatīt arī

Saites

• Doplera efekta izmantošana, lai izmērītu straumes okeānā

Wikimedia fonds. 2010 .

Skatiet, kas ir "Doplera efekts" citās vārdnīcās:

doplera efekts- Doplera efekts Frekvences izmaiņas, kas rodas, kad raidītājs tiek pārvietots attiecībā pret uztvērēju vai otrādi. [L.M. Ņevdjajevs. Telekomunikāciju tehnoloģijas. angļu krievu Vārdnīca direktoriju. Rediģēja Yu.M. Gornostajevs. Maskava… Tehniskā tulkotāja rokasgrāmata

doplera efekts- Doplerio reiškinys statusas T joma fizika atitikmenys: engl. Doplera efekts vok. Doplera efekts, m rus. Doplera efekts, m; Doplera fenomens, n pranc. effet Doppler, m … Fizikos terminų žodynas

doplera efekts- Doplera io efektas statusas T joma automatika atitikmenys: engl. Doplera efekts vok. Doplera efekts, m rus. Doplera efekts, m; Doplera efekts, m pranc. effet Doppler, m ryšiai: sinonimas – Doplerio efektas … Automatikos terminų žodynas

doplera efekts- Doplerio efekto statusas T joma Energetika apibrėžis Spinduliuotės stebimo bangos ilgio pasikeitimas, šaltiniui judant stebėtojo atžvilgiu. atitikmenys: engl. Doplera efekts vok. Dopplereffekt, m rus. Doplera efekts, m; Doplera efekts, m… Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

doplera efekts- Doplerio efekto statusas T joma Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Matuojamosios spinduliuotės dažnio pokytis, atsirandantis dėl reliatyviojo judesio tarp pirminio ar antrinio šaltinio ir stebėtojo. atitikmenys: engl. Doplera efekts vok… Penkiakalbis aiskinamasis metrologijos terminų žodynas

Darba mērķis:

Doplera frekvences nobīdes atkarības no skaņas avota frekvences un atstarojošās virsmas ātruma izpēte.

Instrumenti un piederumi:

Skaņas ģenerators (GZ-44).

Skolas skaņas ģenerators (GZSH-63).

Osciloskops S-11 (138049).

Pašreizējais avots IPPP-2.

Sprieguma regulators (RNSH).

Augstas frekvences emitētājs (2GD-36, jauda 1-2W)

Dubultā Doplera efekts.

1842. gadā K. Doplers (austrijas fiziķis un astronoms) konstatēja, ka uztveramās skaņas frekvence ir atkarīga gan no avota ātruma (attiecībā pret vidi), gan no novērotāja ātruma: tā ir lielāka par avota frekvenci 0, ja novērotājs. un avots tuvojas un zemāks 0, ja tie tiek noņemti. Tas ir Doplera efekts.

Vienlaicīgi kustoties skaņas avotam un uztvērējam, uztvērēja fiksētā frekvence , nosaka pēc formulas:

(1)

Kur ir skaņas ātrums vidē,

- uztvērēja un avota ātrums,

,
ir leņķi, ko veido avota un uztvērēja ātruma vektori ar vektoru, kas savieno uztvērēju un avotu.

Ja avots un novērotājs pārvietojas pa taisni, kas tos savieno, tad cos
un 1. formulai ir šāda forma:

(2)

Augšējās zīmes formulās (1) un (2) tiek izmantotas, kad uztvērējs un avots tuvojas, apakšējās attālinās.

Doplera efekta variācija ir tā sauktais dubultais Doplera efekts - viļņu frekvences izmaiņas, kad tie tiek atstaroti no kustīgiem ķermeņiem, jo ​​atstarojošo objektu var uzskatīt par uztvērēju un pēc tam par viļņu reradiatoru. .

Noteiksim Doplera nobīdes frekvenci, kad uztvērējs (mikrofons - mcr 1. att.) un emitētājs (radi) atrodas miera stāvoklī un skaņu atstarojošā plāksne (pl) pārvietojas ar ātrumu.
(pieeja; cos
1). Pirmajā posmā plāksne spēlē uztvērēja lomu, kas pārvietojas ar ātrumu (
) pr, un skaņas avots atrodas miera stāvoklī (
). Izmantojot formulu (2), mēs iegūstam viļņu biežumu, kas krīt uz plāksnes (
) utt

)pr=
(3)

Otrajā posmā plāksne atspoguļo pieņemto (
) pr viļņi un ir skaņas avots, kas pārvietojas ar ātrumu mikrofona virzienā.

Viļņu frekvence (
) fiksēts ar mikrofonu saskaņā ar formulu (2)

(4)

Aizvietojot formulu (3) ar (4), mēs iegūstam

(5)

Tagad noteiksim, cik daudz frekvence ir mainījusies (Doplera frekvences maiņa).

Ja viļņi, kas krīt uz plāksnes un atstarojas no plāksnes, ir uzlikti viens otram (kā aplūkotajā gadījumā), tad tiek novērota viļņu superpozīcija, kuru frekvences savā starpā maz atšķiras, un tas izraisa sitieniem. Sitiena frekvence ir vienāda ar starpību starp krītošo un atstaroto viļņu frekvenci (
). Tas. nosakot mikrofona ierakstīto sitienu frekvenci un zinot atstarojošās plāksnes ātrumu, iespējams noteikt gan Doplera frekvences nobīdi, gan kustīgās plāksnes atstaroto un mikrofona uztverto skaņas viļņu frekvenci.

(6)

Eksperimentāla iestatīšana.

Eksperimentālās iestatīšanas shēma ir parādīta 2. attēlā. Skaņas avots ir augstfrekvences emitētājs 1, kas pārvērš skaņas ģeneratora 2 radītās elektriskās vibrācijas skaņas viļņos. Skaņa atstarojas no plāksnēm 3, kas ir uzstādītas uz rotējošas platformas 4. Platformas rotācijas ātrumu var mainīt plašā diapazonā, mainot motora tinumiem 5 pievadīto spriegumu no sprieguma regulatora 6 (RNSH) , 0–60 V).

Mikrofons 7, kas atrodas blakus emitentam, uztver skaņas viļņus tieši no emitētāja ar frekvenci un no plāksnēm atstarotos viļņus 3. Mikrofonā ienākošais signāls tiek pastiprināts (līdzstrāvas avots). Turklāt no rotējošajām plāksnēm atstarotais skaņas signāls mikrofonā nonāk tikai īsos (salīdzinot ar platformas rotācijas periodu) laika intervālos, kas atbilst noteiktam plākšņu, emitētāja un mikrofona relatīvajam stāvoklim.

Filca paliktnis 9 ir uzstādīts starp emitētāju un mikrofonu, lai samazinātu tiešas skaņas jaudu, kas mikrofonā nonāk tieši no emitētāja.

Mikrofons ir savienots ar osciloskopu 10. Plākšņu ātrums ir lēns, tāpēc Doplera frekvences nobīde daudz mazāka frekvence . Osciloskopa ekrānā periodiski parādās sitienu raksts ar frekvenci

, kas ir divu skaņas viļņu pievienošanas rezultāts, kas noteiktos laika momentos nonāk mikrofonā.

Plākšņu un skaļruņa saplūšanas ātrums

kur R ir attālums no rotācijas ass līdz plākšņu vidum,

- plākšņu griešanās biežums.

Darba pabeigšana.

UZMANĪBU: Ierīces var pieslēgt elektrotīklam tikai pēc tam, kad skolotājs ir pārbaudījis elektrisko ķēdi.