Основные характеристики волновых процессов. Эффект Доплера. Его значение в акустике, оптике и (стр. 3 из 5)
Применение принципа Доплера в астрономии привело к ряду замечательных открытий. В 1889году директор Гарвардской обсерватории (США) Эдуард Чарлз Пикеринг (1846-1919) обнаружил раздвоение линий в спектре Мицара – всем известной звезды 2-й звездной величины в хвосте Большой Медведицы. Линии с определенным периодом то сдвигались, то раздвигались. Пикеринг понял, что это скорее всего тесная двойная система: ее звезды настолько близки друг к другу, что их нельзя различить ни в один телескоп. Однако спектральный анализ позволяет это сделать. Поскольку скорости обеих звезд пары направлены в разные стороны, их можно определить, используя принцип Доплера – Физо (а также, конечно, и период обращения звезд в системе).
На эффекте Доплера основаны радиолокационные лазерные методы измерения скоростей различных объектов на Земле (например автомобиля, самолета и др.). Лазерная анемометрия является незаменимым методом изучения потока жидкости или газа. Хаотическое тепловое движение атомов светящегося тела также вызывает уширение линий в его спектре, которое возрастает с увеличением скорости теплового движения, т.е. с повышением температуры газа. Это явление можно использовать для определения температуры раскаленных газов.
Метод Доплера - метод обнаружения экзопланет, известен также как спектрометрическое измерение радиальной скорости звёзд. Это самый распространённыйметод.Экзопланеты, открытые методом Доплера, по годам, на 2010-01-05
С его помощью можно обнаружить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды и планеты-гиганта с периодами до примерно 10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды.
Этот метод позволяет определить амплитуду колебаний радиальной скорости для пары «звезда — одиночная планета», массу звезды, период обращения, эксцентриситет и нижнюю границу значения массы экзопланеты
. Угол 
между нормалью к орбитальной плоскости планеты и направлением на Землю современные методы измерить не позволяют.На февраль 2010 года открыто 336 планет.
3.2 Применение в акустике
С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).
Поскольку человеческое тело состоит сплошь из жидкостей, скорость которых можно измерить, эффект Доплера широко используется и в медицине, чтобы измерять скорость кровотока, скорость движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.
Во всем мире данное явление используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.
Радиолокация – это определение местоположения объекта, обычно самолета или ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения подводных лодок.
Эффект Доплера также лежит в основе работы автосигнализации, которая действует для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля.
3.3.Применение в оптике
Оптический эффект Доплера также широко применим в науке и технике. В частности, доплеровские радары истребителей-перехватчиков по сдвигу частоты отражённого сигнала выделяют движущиеся цели на фоне засветок от неподвижных объектов, что позволяет обнаруживать низколетящие самолёты и крылатые ракеты на фоне земли.
Радиолокаторы на самолётах и вертолётах при полете на малой высоте предупреждают пилота о приближающихся препятствиях, а в режиме картографирования местности помогают ориентироваться ночью или в сложных метеоусловиях. В портах радиолокаторы помогают управлять движением судов; метеорологи применяют радары для слежения за ураганами; с помощью радаров осуществляется картографирование космических объектов.
Специальный радар картографирования местности, жестко закрепленный на борту самолета, посылает узкий луч в сторону земли. Луч сканирует поверхность земли по мере движения самолета. С помощью такой системы была получена эта радарная карта
западного района.
4.Описание конкретного примера прибора с рисунком.
В океанологии и гидрологии применяется прибор для измерения профиля течения в водной толще, основанный на доплеровском эффекте - акустический доплеровский измеритель течения (ADCP). Он периодически излучает звуковой сигнал определённой частоты, который отражается от планктона и мелких пузырьков воздуха. Измеряя смещение частоты отражённого сигнала относительно частоты базового сигнала и время его прихода можно получить оценку скорости течения на определённой глубине.
ADCP измеряет скорость и направление течений в океане используя эффект который называется «Доплеровским смещением».
4.1.Принцип работы прибора
ADCP излучает последовательность высокочастотных звуковых импульсов которые отражаются от движущихся в воде частиц (это может быть планктон, или частицы любого растворенного в воде ). В зависимости от того движутся частицы по направлению от источника звука или к нему, частота или иными словами высота звука отражённого сигнала, принимаемого ADCP выше или ниже. Частицы, движущиеся от инструмента производят сигнал с меньшей частотой и наоборот. Поскольку частицы передвигаются с той же скоростью что и вода в которой они находятся, сдвиг частоты пропорционален скорости звука.
ADCP обладает четырьмя акустическими излучателями которые излучают и принимают акустические импульсы в четырёх направлениях. Тригонометрические соотношения используются для перевода отражённого сигнала полученного четырьмя излучателями в течения относительно земных координат (север-юг, запад-восток, верх-низ) (внутри находится компас). Поскольку излучаемый звук может проникать на довольно большую глубину, ADCP способен одновременно измерять течения на нескольких горизонтах. Таким образом имеется возможность определить скорость и направление течения от поверхности до значительной глубины.
4.2 Показатели работы и эффективности прибора
Существует два способа установки ADCP. Излучателями вниз – тогда он будет производить измерения, например, от поверхности до 100 метров, или, если поставить его на буйковую станцию, например, от 150 метров до 250. Излучателями вверх – ставят либо на дно, где он будет измерять течения от дна до поверхности, или насколько хватит его мощности, либо подвешивают на притопленной буйковой станции, чтобы смотреть поверхностные течения. Если установка произведена излучателями вверх и до поверхности не так далеко, то можно засечь движение льда и даже движение ветра над местом постановки (если воздух будет достаточно влажным).
На больших научно-исследовательских кораблях ADCP установлен на постоянной основе и находится на днище. Типичный прибор (75 кГц) достаточно мощный для того чтобы проводить измерения до 700 метров. Во время работы ADCP посылает и принимает несколько акустических импульсов в секунду. Встроенный компьютер обрабатывает принятый сигнал и выводит силу и направление течений в столбе воды под кораблём в реальном времени. Таким образом, специалисты могут наблюдать изменяющуюся структуру океанских течений во время движения корабля практически беспрерывно. Технология ADCP очень надёжна и система нуждается в минимальном техническом сопровождении, а также не требует долгого обучения.5. Полезный экономический эффект
Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Рассмотрим повышение эффективности работы процессов, основанных на эффекте Доплера, более подробно в таких областях, как медицина и геодезия.