Области применения эффекта Доплера

Самым частым применением эффекта Доплера является доплеровский радар (Рис.2.4) - радарное навигационное устройство, основанное на доплеровском эффекте - изменении частоты (или длины волны) из-за движения объекта по отношению к наблюдателю. Это устройство используется для измерения разности частот между отправленным импульсом и возвращенным. На основе этой разности судят о скорости движения предмета, от которого отразился луч радара. Измеренные величины показываются на экране прибора.

Рис. 2.4

Рис. 2.4

Переносные радарные приборы для измерения скорости (1) используются службами дорожной безопасности для выявления нарушений скорости движения автомобилей. Действие прибора основано на доплеровском эффекте. Прибор испускает пучок радиоволн (2) известной частоты. Когда волна встречается с движущимся автомобилем (3), сигнал отражается и возвращается (4) с измененной частотой. Прибор вычисляет разность между частотами исходного и отраженного сигнала, и на основе этого значения определяется Скорость движения автомобиля. Доплеровские радары могут применяться в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков), морских и речных течений, а также других объектов.

Этот эффект широко применяется в акушерстве, так как звуки, идущие от матки легко регистрируются. На ранней стадии беременности звук проходит через мочевой пузырь. Когда матка наполняется жидкостью, она сама начинает проводить звук. Положение плаценты определяется по звукам протекающей через нее крови, а через 9 - 10 недель с момента образования плода прослушивается биение его сердца. С помощью ультразвуковых устройств количество зародышей или констатировать смерть плода.

На его же принципе основана диагностика показателей кровотока практически в любом сосуде, что очень важно для выявления патологии поражающей сердечнососудистую систему и контроля ее лечения. При исследовании кровотока пациента посредством ультразвукового исследования фиксируют изменение частоты ультразвукового сигнала при отражении его от движущихся частиц крови, основную массу которых составляют эритроциты.

Для регистрации эффекта Доплера используют ультразвук, посылаемый в направлении исследуемого сосуда. Отражаясь от движущихся эритроцитов, ультразвук, принимаемый устройством, соответственно меняет частоту. Это позволяет получить информацию о скорости движения крови по исследуемому участку сосудистого русла, направлении движения крови, объеме кровяной массы, движущейся с определенными скоростями, и, исходя из этих параметров, обосновывать суждение о нарушении кровотока, состоянии сосудистой стенки, наличии атеросклеротического стеноза или закупорке сосудов, а также оценить коллатеральное кровообращение.

Рис. 2.5

В системе безопасности данный эффект применяется в виде радиоволновых датчиков движения (Рис. 2.5) (широко применяется для охраны укрепленных помещений, банков, хранилищ и т.д.). Эти датчики предназначены для обнаружения проникновения в охраняемую зону и допускают маскировку материалами, пропускающими радиоволны (ткани, древесные плиты).Электромагнитное поле СВЧ диапазона, создаваемое датчиком, не оказывает вредного воздействия на организм человека на расстоянии более 50 мм. В датчике реализован принцип обнаружения человека по регистрации доплеровского сдвига частоты отраженного сверхвысокочастотного (СВЧ) сигнала, возникающего при движении человека в электромагнитном поле, создаваемым СВЧ модулем.

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей и газов. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию волн ультразвука или оптического излучения (Оптические расходомеры) на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа в жидкости).

При помощи эффекта Доплера, астрономы, по смещению линий спектра определяют радиальную (лучевую) скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости — к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (~300 000 км/с), то в нерелятивистском приближении лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и делённой на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.

По увеличению ширины линий спектра можно измерить температуру фотосферы звёзд. Уширение линий при повышении температуры обусловлено увеличением скорости хаотического теплового движения излучающих или поглощающих атомов в газе.

В качестве альтернативного применения эффекта Доплера в повседневной жизни, мы предлагаем использовать его на автомобилях в темное время суток для во избежание дорожно-транспортного происшествия на неосвещённом участке дороги (Рис. 2.6). Источник сигнала находится в

Рис. 2.6

районе переднего бампера и непрерывно испускает его. При появлении на дороге человека или животного, приемник обнаруживает препятствие и предупреждает водителя о возможной опасности. Недостатком, в качестве такого использования является то, что при резких поворотах сигнал не успеет попасть на приемник и предупредить водителя, но как таковым решением, можно разместить датчики по всей поверхности машины на данном уровне.