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多普勒效应

ドップラー効果

III 波 / ドップラー効果
一句话结论

f' = f (V − vo) / (V − vs),其中速度以「从声源指向观测者」为正方向。判断结果合理性的口诀:靠近变高、远离变低。

声源朝你跑来时,它发出的每个波前都比上一个更靠近你,波长被「挤短」,于是你听到的频率变高。反过来远离就被「拉长」变低。救护车驶过时音调由高突然转低,就是这件事。关键在于:声源移动改变波长,观测者移动改变相遇频率——两者机制不同,但公式统一处理。

为什么是这样

救护车驶过时音调由高突然转低,这是多普勒效应(ドップラー効果)。它的成因分两种,机制完全不同,值得分开理解。

声源移动改变波长:声源朝你跑来时,它发出的每个波前都比上一个更靠近你,前方的波被「挤密」,波长变短,于是你听到的频率变高。这是真实的空间波长变化。

观测者移动改变相遇频率:你朝声源跑去时,空间中的波长完全没变,但你单位时间「迎上」的波数增多了,所以听到的频率也变高。这一种并不改变波长。

两种机制不同,但公式统一处理。判断结果对不对只需一句常识:靠近变高,远离变低。

声源靠近时波长被压缩,观测频率变高声源观测者运动方向前方波前挤密 → 波长变短 → 听到的频率变高

定量表达

f′=f(V−vo)⁄(V−vs)。四种情况(源近/源远/观测者近/观测者远)的加减号很容易记混,所以不要背符号,而要固定一个正方向。

本教材约定正方向为从声源指向观测者。代入前先在纸上画这个箭头,然后把两个速度写成带符号的数:与箭头同向为正,反向为负。

这样处理之后四种情况自动统一,不需要记四条式子。代完再用「靠近变高、远离变低」检验一遍,符号错了立刻能发现。

f′=f(V−vo)V−vs
f′
观测到的频率[Hz]
f
声源发出的频率[Hz]
V
声速[m/s]
vo
观测者速度(沿「声源→观测者」方向为正)[m/s]
vs
声源速度(同一正方向)[m/s]
适用条件
  • 正方向统一定义为从声源指向观测者,代入前先画箭头
  • 沿两者连线的运动才用此式;斜向运动要取分量
  • 结果必须通过「靠近变高、远离变低」的常识检验

怎么用

以例题为例:声源以 20 m/s 靠近静止观测者,发出 400 Hz,声速 340 m/s。

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