Ефект Допплера в акустиці. Практичне проявлення.

На відміну від ефекту Доплера для електромагнітних хвиль, обумовленого тільки відносним рухом джерела і приймача, зміни частоти акустич. хвилі при русі джерела і приймача різні. Цей ефект з'являється, якщо спостерігач або джерело (або вони обидва) рухаються або якщо випромінювання від нерухомого джерела до нерухомого спостерігачеві приходить, відбиваючись або розсіюючись від рухомого об'єкту. На відміну від ефекту Доплера для електромагнітних хвиль, обумовленого тільки відносним рухом джерела і приймача, зміни частоти акустич. хвилі при русі джерела і приймача різні.

Якщо джерело та спостерігач рухаються уздовж однієї прямої зі швидкістю відповідно V _sі V _r, то спостережувана частота визначається виразом: де f _s - частота коливань джерела, с - швидкість поширення випромінювання. Звідси отримуємо вираз для доплерівського зсуву:

У ультразвукової допплерівської локації зазвичай є нерухомий джерело (випромінювач), нерухомий спостерігач (приймальний перетворювач) і рухомий відбивач (або розсіювач)ультразвуку.

При вимірюванні швидкості кровотоку ультразвук розсіюється на флуктуаціях густини і стисливості, і прийнятий сигнал можна обчислити як суму сигналів від усіх елементів крові на шляху ультразвукового пучка. На рис. 11.1 показаний випадок одного розсіювача, що рухається зі швидкістю V. Доплеровский зрушення від рухомого відбивача (або розсіювача) можна обчислити, розглядаючи його в системі спостерігача, що рухається відносно джерела (випромінювача), а потім у системі джерела, що рухається відносно спостерігача (приймача).Крім того, оскільки напрями поширення падаючої і розсіяної хвиль не збігаються з напрямком руху елемента крові, рівняння доплерівського зсуву не можна використовувати безпосередньо - необхідно замінити V _s і V _r складовими цих швидкостей вздовж напрямків прийому і випромінювання. Отримуємо наступне:де і - Кути між вектором швидкості та напрямками випромінювання і прийому; f ₀ - частота випромінювання.Ефект Доплера при русі джерела звуку обумовлений зміною довжини хвилі в середовищі, при русі приймача - зміною швидкості звуку в системі координат, пов'язаної з приймачем, а при розсіянні рухомим тілом - обома факторами.Ефект Доплера можна вважати також зміна частоти звуку при відображенні і проходження через кордон між двома середовищами, до-раю рухається щодо самих середовищ, що залишаються нерухомими, напр. при проходженні звуку через фронт ударної хвилі в газі (характеристики газу по обидві сторони фронту різні) або при поширенні звуку вздовж частково зануреного в рідину стержня в процесі зміни рівня рідини (акустіч. властивості зануреної частини стрижня змінюються під впливом реакції навколишнього рідини).

Види доплерівських вимірників за призначеннямДоплерівські вимірювачі використовуються в різних цілях в багатьох галузях виробництва, транспорту, медицини, наукових і науково-практичних досліджень військовій справі.

Бортові вимірювачіДоплерівські вимірювачі швидкості та зносу для визначення вектора шляхової швидкості літака, вертольота. В даний час в авіації застосовуються вимірювачі тільки радіолокаційного типу.Принцип дії ДИСС заснований на використанні ефекту Доплера, згідно з яким, частота прийнятого сигналу, відбитого від цілі може відрізняється від частоти випроміненого сигналу і різниця залежить від співвідношення швидкостей об'єктів відносно один одного. Для вимірювання швидкості вимірник має антенну систему з кількома (3 або 4) остронаправленним променями діаграми спрямованості. Приймає по кожному з цих променів сигнал має доплерівську частоту пропорційну проекції вектора швидкості літака на цей промінь.

Медичні вимірювачіЧастота ультразвуку, прийнятого від рухомого відбивача (або розсіювача), відрізняється від частоти випроміненого сигналу. Це явище називають ефектом Доплера, а величину зміни частоти, пропорційну швидкості руху відбивача (або розсіювача), - доплерівським зсувом.Змішуючи випромінений і прийнятий сигнали, отримують різницевий (доплерівський) сигнал, частота якого дорівнює доплеровскому зрушення. Для пов'язаних з рухом багатьохфізіологічних процесів в організмі величина цього зсуву знаходиться в діапазоні звукових частот, що і призвело до створення простих індикаторів швидкості, в яких доплерівський сигнал подається на навушники або гучномовці. Найпростіший доплеровский прилад випромінює безперервний немодульований ультразвук і називається доплерівським приладом безперервного випромінювання (ДПНІ). Так як він реагує на кровотік в будь-якій області пучка (хоча чутливість і падає з глибиною через загасання сигналу), його не можна використовувати для розрізнення судин, що знаходяться на різних глибинах, або для вимірювання профілю швидкостей в одній посудині. Для вирішення цих завдань необхідна інформація про глибину, яку отримують шляхом модуляціївипромінюваного сигналу. Певний стан модульованого сигналу жорстко пов'язано з моментом випромінювання, і, виділяючи цей стан в розсіяному сигналі, можна визначити час його запізнювання і тим самим визначити глибину розсіювача. Зазвичай використовується амплітудна модуляція послідовністю імпульсів - такі прилади називають імпульсно-доплерівськими локаторами.

Дата добавления: 2015-11-14