多普勒效应
多普勒效应
多普勒效应是当振动波源与测点之间存在相对运动时，测点实际接收到的频率并不等于波源实际频率的现象。这一效应在物理学、天文学和工程学等多个领域都有广泛的应用。
概述
多普勒效应是当振动波源与测点之间存在相对运动时，测点实际接收到的频率并不等于波源实际频率的现象[1]。
1842年一天，多普勒带女儿在火车道口边玩耍，注意到火车声音变化，火车由远到近开来时，汽笛发出的声音，听到声音音调升高，再由近到远离开时，汽笛声音音调降低的现象，这是科学史上最有趣的实验之一[2]。
综合分析提出假设：波源与观测者正在接近，波长缩短，频率升高。(后来在天文学上对移动恒星光谱分析，谱线向红的一端移动，简称为红移，向蓝的一端移动，称为蓝移)；波源与观测者正在相互远离，波长被拉长，频率被降低。
红移、蓝移量通常用波长相对变化量来表示：
证实
1868年，英国天文学家威廉·哈金斯首次测出了恒星相对于地球的运动速度。
1871年，利用太阳的自转测出在可见光太阳光谱的夫朗和斐谱线在红光有0.1Å的位移。
1901年，Aristarkh Belopolsky在实验室中利用转动的镜片证明了可见光的红移。
1912年开始的观测，Vesto Slipher 发现绝大多数的螺旋星云都有不可忽视的红移。
1929年，埃德温·哈勃发现这些星云(现在知道是星系)的红移和距离有关联性，也就是哈勃定律。这些观察在今天被认为是造成宇宙膨胀大爆炸理论的强而有力证据[3]。
公式
观察者（Observer）和发射源（Source）的频率关系为：
f`为观察到的频率；
f`为发射源于该介质中的原始发射频率；
`为波在该介质中的行进速度；
o为观察者相对于介质的移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号，反之则为−号；
s为发射源相对于介质的移动速度，若接近观察者则前方运算符号为−号，反之则为+号。
注意：多普勒效应仅与波源移动速度成比例关系，而与距离无关。特别提醒用多普勒效应解释哈勃红移(哈勃观测定律，红移量与星系距离成比例关系[4]。
原理
多普勒认为，当波源与观察者存在相对运动时，观察者接收到的波的频率和波长会发生变化。在波源频率保持不变的情况下，波源相对观测者远离时，观测者接收的频率变低，波长变长；而波源相对观测者靠近时，观测者接收的频率变高，波长变短。
天文学解释
对太阳光的解释
天文学家都认为：地球到太阳的距离几乎稳定，周年有微弱的距离周期变化。太阳光到达地球，频率是否会变化；
多普勒效应解释：地球到太阳距离没有径向方向上的移动，或运动速度。太阳光的红移量没有。
最近恒星光的解释
离太阳最近的恒星，距离4光年。
多普勒效应：恒星与我们距离没有变化，频率或波长没有变化。
银河系星光变化的解释
银河系内群星闪烁，数量众多。只有少数恒星远离地球，少数恒星接近地球的运动。两者都是小概率，概率应该相差不大。
多普勒效应：只有恒星与我们距离有变化时，频率才会变化。与恒星距离无关，与波源运动速度成比例。有蓝移，也有红移。绝大部分光谱没有移动。
河外星系光频率变化的解释
遥远的星系：与地球的距离变化，接近、远离也应该是少数，绝大部分应该保持距离的稳定性。这样假设符合宇宙学基本原理(在大尺度，各向没有差别；时空区域平权)。
多普勒效应：红移、蓝移决定星系移动速度，与距离无关。可是哈勃测量结果与距离成线性关系，显然与多普勒效应不符。
应用
19世纪下半叶起就被天文学家用来测量恒星的视向速度。现已被广泛用来佐证观测天体和人造卫星的运动。交通民用：激光雷达测速，超声波雷达多普勒效应测移动车辆的速度。医学：超声彩超，医学检查。
光波的多普勒效应应用
具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索（1819~1896年）于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。
声波的多普勒效应应用
声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩色超声波。彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒。超声频移诊断法（即D超）应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移。
爆破地震波传播应用
爆破地震波是一种复杂的复合机械波。而波在传播过程中存在着多普勒效应。因此，在理论上，爆破地震波在传播过程中同样存在着多普勒效应。
根据多普勒效应的定义,进行毫秒延时爆破作业时,爆源依次起爆,而监测点一般是静止不动的。因此，爆破过程中会有多普勒效应的现象。同样在该过程中,测点是静止的，而爆源是相对测点移动的。具体原理如下图所示[5]。
波源做相对运动
多普勒效应的数值模拟验证
为验证毫秒延时爆破过程中存在着多普勒效应，并分析其对爆破振动频率的影响，建立ANSYS模型，如图2所示。利用其动力有限元分析模块LS-DYNA进行计算处理。下图中模型尺寸为50mx15mx5m,炮孔直径取0.6m,各炮孔间距10m°爆破载荷用理想的三角形载荷模型来代替,3个炮孔以25ms的间隔时间从左往右依次起爆。为了使爆破地震波传播时不出现波的反射和折射现象,在模型周围设置无反射边界[6]。
ANSYS模型示意图