多普勒效应

波源和观察者之间存在相对运动时,观察者接收到的频率不同于波源发出频率的现象。

核心图像

对机械波,波源运动会改变前后方的波长;观察者运动不改变介质中的波长,却会改变单位时间内遇到波峰的数目。


机械波的多普勒效应

设介质中的波速为 ,波源频率为 ,观察者接收频率为 。以下规定:波源向观察者运动时 ,观察者向波源运动时 。

波源运动,观察者静止

波源以 向观察者运动时,前方波长缩短:

因此

波源远离观察者时取 ,波长增大,频率降低。

波源静止,观察者运动

观察者以 向波源运动时,单位时间内迎接更多波峰:

一般公式

机械波多普勒公式

必须相对于介质测量,并按上述靠近为正的约定取有符号值。对通常的声源,应有 ;超过声速时需改用冲击波的图像。


电磁波的多普勒效应

光不依赖介质传播,必须使用狭义相对论。设波源与观察者在连线方向上趋近的相对速度为 ,令 ,则

相对论性多普勒公式

当 时,。

与机械波不同,电磁波的频移只取决于波源与观察者的相对运动,无须区分谁相对介质运动。


冲击波与马赫锥

当波源速度 超过介质中的波速 时,波源会超越自己先前发出的波前,各球面波前的包络形成冲击波。

马赫角

马赫数情形
亚声速,可用多普勒效应描述
波前在前方堆积,马赫角趋于
超声速,形成马赫锥

冲击波前沿处压强、密度、温度等状态量会发生急剧变化;超音速飞机的冲击波传到地面时可形成音爆。