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  • 多普勒效应的原理及应用 一 多普勒现象的发现
    多普勒效应的原理及应用
    一 多普勒现象的发现

    1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天,他正路过铁路交叉处,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车从远而近时汽笛声变响,音调变尖,而火车从近而远时汽笛声变弱,音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为,声源相对于观测者在运动时,观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时,声波的波长增加,音调变得低沉,当声源接近观测者时,声波的波长减小,音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大,改变就越显著,后人把它称为“多普勒效应”。 

    二  多普勒的相关现象及原理

    1 与声波相关

    火车汽笛的声调由高变低,这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应。为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短,好像波被压缩了.因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好像波被拉伸了。 因此,声音听起来就显得低沉.定量分析得到

    f1=(u+v0)f /(u-vs) ,

    其中vs为波源相对于介质的速度,v0为观察者相对于介质的速度,f表示波源的固有频率,u表示波在静止介质中的传播速度. 当观察者朝波源运动时,v0取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,v0取负号. 当波源朝观察者运动时vs前面取正号;前波源背离观察者运动时vs取负号. 从上式可以很容易得知,当观察者与声源相互靠近时,f1>f ;当观察者与声源相互远离时f1<f 

      设声源S,观察者L分别以速度Vs,Vl在静止的介质中沿同一直线同向运动,声源发出声波在介质中的传播速度为V,且Vs小于V,Vl小于V。当声源不动时,声源发射频率为f,波长为X的声波,观察者接收到的声波的频率为:

    f'=(V-Vl)V/[(V-Vs)X]=(V-Vl)f/(V-Vs) 

      所以得 (1)当观察者和波源都不动时,Vs=0,Vl=0,由上式得f'=f 

      (2)当观察者不动,声源接近观察者时,观察者接收到的频率为F=Vf/(V-Vs) 显然此时频率大于原来的频率   

    由上面的式子可以得到多普勒效应的所有表现。

     2,与光(电磁波)相关光(电磁波)的多普勒效应计算公式分为以下三种: 

    (1)纵向多普勒效应(即波源的速度与波源与接收器的连线共线):f'=f [(c+v)/(c-v)]^(1/2) 
      其中v为波源与接收器的相对速度。当波源与观察者接近时,v取正,称为“紫移”或“蓝移”;否则v取负,称为“红移”。   

    (2)横向多普勒效应(即波源的速度与波源与接收器的连线垂直):f'=f (1-β^2)^(1/2) 其中β=v/c 
    (3)普遍多普勒效应(多普勒效应的一般情况):f'=f [(1-β^2)^(1/2)]/(1-βcosθ) 
    其中β=v/c,θ为接收器与波源的连线到速度方向的夹角。纵向与横向多普勒效应分别为θ取0或π/2时的特殊情况       

    三 多普勒效应的应用

    1 医学应用
    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超。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,首先说说超声频移诊断法,即D超,此法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,D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理,把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上,即形成彩色多普勒超声血流图像。

    超声多普勒法诊断心脏过程是这样的:超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号,激励发射换能器探头,产生连续不断的超声波,向人体心血管器官发射,当超声波束遇到运动的脏器和血管时,便产生多普勒效应,反射信号就为换能器所接受,就可以根据反射波与发射的频率差异求出血流速度,根据反射波以频率是增大还是减小判定血流方向。为了使探头容易对准被测血管,通常采用一种板形双叠片探头。
      在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲Doppler检查仪,当声源或反射界面移动时,比如当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散射的声音频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度,如红细胞朝向探头时,根据Doppler原理,反射的声频则提高,如红细胞离开探头时,反射的声频则降低。
      2 交通应用
     交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率,根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。 

    例如雷达测速仪 交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度.装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。





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  • █频域测量仪器(频谱仪Spectrum Scope) 计算机仿真中的频谱仪应用的是数字信号处理中的快速傅里叶变换(FFT)技术,它能完成数据流从时域到频域的变换。 将时域的数据流取出一段,即FFT size(快速傅里叶变换的长度)...

    [3] 此处暂停必不可少,且时间要足够,以便再打开声音系统,这个量与计算机硬件有

    关。

    [4] 播放静止的听者听到运动的火车的汽笛声。

    [5] MATLAB可以记录的音频信号直接保存为“*.wav”格式。利用命令

    “wavwrite(y,Fs,’Filename’);”就可以将向量y存储为取样频率为Fs的wav音频文件。

    [6] 另一个函数发生器是压控振荡器(VCO),它由输入向量来决定某个震荡频率的信号。

    此处,绘制生成信号的光谱图。

    █频域测量仪器(频谱仪Spectrum Scope)

    计算机仿真中的频谱仪应用的是数字信号处理中的快速傅里叶变换(FFT)技术,它能完成数据流从时域到频域的变换。

    将时域的数据流取出一段,即FFT size(快速傅里叶变换的长度)确定为N,通常要求N 是2的幂次方。同时需要设置相应长度的Buffer Size(缓存器)。N的大小(即时窗的长短)决定了频谱仪的分辨率,N越大,频率的分辨率就越高,但相应的计算时间也愈长。

    希望所研究的谱线内容出现在频谱仪显示窗的中间部分,能看到在频率轴上谱线的低端和高端的情况,以便于观察和分析。要做到这一点,将输入信号的采样频率取为期望的频率显示窗最大值的两倍即可。

    注意,频谱仪的采样频率与被测信号的采样频率要一致。

    4 仿真结果及分析

    (1)仿真结果

    图4-1所示:M文件程序运行结束时绘出的听者接收到信号的频率变化曲线。

    图4-2所示:用信号处理工具箱函数spectrogram绘制的时间频率图。

    图4-3所示:某个时刻仿真系统中的频谱仪上显示的功率谱。

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    图4-1 听者接收到的信号的频率变化曲线

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  • 多普勒效应

    千次阅读 2019-01-14 20:23:31
    多普勒频移,当运动在波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低 (红移red shift)。波源的速度越高,所产生的效应越大。 多普勒频移及信号幅度的变化等如图2所示。当火车迎面驶来时,鸣笛声的...

    当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时,由于传播路程差的原因,会造成相位和频率的变化,通常将这种变化称为多普勒频移。多普勒频移,当运动在波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低 (红移red shift)。波源的速度越高,所产生的效应越大。

    多普勒频移及信号幅度的变化等如图2所示。当火车迎面驶来时,鸣笛声的波长被压缩(如图2右侧波形变化所示),频率变高,因而声音听起来尖利刺耳。当火车远离时,声音波长就被拉长(如图2左侧波形变化所示),频率变低,从而使得声音听起来减缓且低沉。

    图2 声波的多普勒效应引起的多普勒频移图2 声波的多普勒效应引起的多普勒频移

    这种现象也存在于其他类型的波中,例如光波和电磁波。科学家们观察发现,从外太空而来的光波,其频率在不断变低,既向频率较低的红色波段靠拢,这是光波遵从多普勒效应从而引起多普勒频移的例证。对于电磁波,高度运动的物体上(例如高铁)进行无线通信,会出现信号质量下降等现象,就是电磁波存在多普勒频移现象的实例。

    多普勒频移导致无线通信中发射和接收的频率不一致,从而使得加载在频率上的信号无法正确接收,甚至无法接收到。

    多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波形,包括光波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远处银河系的光线频率在变低,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向蓝端,光线就成为蓝移

    卫星移动通信中,当飞机移向卫星时,频率变高,远离卫星时,频率变低,而且由于飞机的速度十分快,所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。另外一方面,由于非静止卫星本身也具有很高的速度,所以现在主要用静止卫星与飞机进行通信,同时为了避免这种影响造成我们通信中的问题,我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了卫星移动通信的复杂性。

    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超。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,首先说说超声频移诊断法,即D超,此法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,D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理,把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上,即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见,彩色多普勒超声(即彩超)既具有二维超声结构图像的优点,又同时提供了血流动力学的丰富信息,实际应用受到了广泛的重视和欢迎,在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

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  • 多普勒效应的matlab仿真程序

    热门讨论 2014-09-19 23:38:47
    多普勒效应的matlab仿真程序
  • 位置音频和多普勒效应位置音频2D中的位置音频3D中的位置音频多普勒效应 位置音频 Godot提供了一种非常简单的方法来在游戏中启用位置音频。 位置音频意味着声音的音量在立体声或环绕声设置的每个扬声器中都会发生变化...

    位置音频

    Godot提供了一种非常简单的方法来在游戏中启用位置音频。 位置音频意味着声音的音量在立体声或环绕声设置的每个扬声器中都会发生变化,以便听众可以将声音与特定方向关联。

    要启用位置音频,请对2D游戏使用AudioStreamPlayer2D节点,对3D游戏使用AudioStreamPlayer3D节点。 它们可以放置在游戏世界中的任何位置,并且玩家将聆听相对于当前摄像机所在位置的声音。 声音会根据玩家在世界上的位置以及观看的方向自动发送到正确的扬声器。

    TIP
    音频播放器作为子级
    由于位置音频通常来自特定的游戏对象,因此将流播放器节点放置为该对象的子对象很有趣。 声音似乎来自它,无需任何额外的努力,因为播放器将遵循其父级的变换。 这简化了逼真的环境声音的创建,而无需担心声源位置。

    2D中的位置音频

    In a 2D environment, positional audio is achieved with the AudioStreamPlayer2D node (see Table 19.2). Since a 2D world has no depth, this only affects left and right panning.
    在2D环境中,位置音频是通过AudioStreamPlayer2D节点实现的(见表19.2)。由于2D世界没有深度,所以只影响左右平移。

    TABLE 19.2 AudioStreamPlayer2D的特定属性

    Property Description
    Max Distance 节点在全音量下可以听到的最大距离。当它与摄像机的距离远于该值时,它将被衰减。
    Attenuation 设置衰减曲线,和其他曲线一样,1是线性的,数值越小是缓出,数值越大是缓入。
    Area Mask 设置哪些区域图层可以影响这个播放器。区域效果将在下面的章节中介绍。

    如果该节点位于视口的中心,则两个通道上的声音相同。 节点越靠近左侧,它在左侧通道中的声音越大,而右侧的音量越小,当节点向右移动时,它的音量相反。 当节点距离过远时,它将开始失去音量,直到完全静音为止,因此您无需明确停止距离太远而无法听到的声音。

    3D中的位置音频

    当你有一个3D空间可用时,位置音频会变得更加有趣。有了深度维度,你可以创建用户环绕声音频(如果用户有设备播放的话)。为此,你将使用AudioStreamPlayer3D节点(见表19.3)。

    TABLE 19.3 AudioStreamPlayer3D的特定属性

    Property Description
    Attenuation Model 确定当声源较远时,声音应该如何衰减。它可以遵循逆向、平方逆向或对数曲线。
    Unit dB 增加基本声量,单位为分贝。
    Unit Size 定义了声音需要衰减的距离。较大的值意味着节点必须离得更远才能有显著的衰减
    Max dB 设置声源的增益极限。 这样可以防止音频变得太大。
    Max Distance 设置节点在开始衰减声音之前必须离声源多远。
    Out of Range Mode 决定当音源太远而听不到时该怎么做。你可以在声音不活动时暂停声音,或以零音量继续播放。
    Area Mask 和它的2D版本一样,它设置了哪些区域图层可以影响此播放器。
    Emission Angle 如果启用,使声源像扬声器一样,在一个狭窄的方向上发出声音。范围外的听众将听到的声音是低沉的。
    Degrees 声源的宽度(如果启用了发射角度)。
    Filter Attenuation dB 确定如果听众在发射角范围外,声音有多大。较低的值会增加声音的低沉度。
    Cutoff frequency 应用衰减时,声音的多少频率以上将被剪切。这个值既适用于发射角,也适用于距离衰减。
    dB 定义低于(“衰减”分界点。较低的值会使声音更加沉闷。)滤波器的频率的衰减量。
    Doppler Tracking 启用或禁用该源的多普勒效应。"Idle "和 "Fixed "指的是处理帧,与脚本的_process()和_fixed()回调相同。

    距离玩家较远的声音开始失去音量,与这些声音的传播方向无关。它们也会使用立体声或环绕声平移,这取决于相对于摄像机的方向。可以定义一个与声源的发射角度来引导声音,并为范围外的听众消音(就像现实生活中的扬声器一样)(见图19.2)。

    在这里插入图片描述
    FIGURE 19.2
    空间音频播放器功能可以帮助你放置声音的来源。

    NOTE
    音频侦听器
    其他游戏引擎都有音频监听器的概念,代表用户在世界里面的 “耳朵”,但Godot不太一样。声音监听器默认是当前的摄像头,所以没有额外的步骤来设置监听器。
    如果您需要世界中的监听器与摄像机不在同一位置,您可以通过添加一个监听器节点并启用其当前属性来覆盖它。

    多普勒效应

    多普勒效应是声源和听众相对移动时声波的压缩和扩展。 如果信号源接近听众,则声音的频率会升高,如果声音正在远离听众,则声音的频率会降低。 实际的效果是您从快速的救护车的警笛声和行驶中的火车或卡车的喇叭声中听到的声音失真。

    在Godot中启用这种效果非常简单。首先,在当前Camera节点中启用多普勒跟踪。然后在作为声源的AudioStreamPlayer3D节点上做同样的操作。"Idle "或 "Fixed "的选择应该根据你的游戏需求进行调整,所以你应该同时尝试这两种方式,看看哪种方式效果最好。

    启用多普勒效果后,如果声源或摄像机在移动,您将听到声音的失真。

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