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如何将多普勒频率转化成音频信号

发布时间:2019-09-10 15:08 来源:未知 编辑:admin

  当你站在公路旁,留意一辆快速行驶汽车的引擎声音,你会发现在它向你行驶时声音的音调会变高(即频率变高),在它离你而去时音调会变得低些(即频率变低)。这种现象叫做多普勒效应。在光现象里同样存在多普勒效应,当光源向你快速运动时,光的频率也会增加,表现为光的颜色向蓝光方向偏移(因为在可见光里,蓝光的频率高),即光谱出现蓝移;而当光源快速离你而去时,光的频率会减小,表现为光的颜色会向红光方向偏移(因为在可见光里,红光的频率低),即光谱出现红移。

  如果我们将一个小石块投入平静的水面,水面上会产生阵阵涟漪,并不断地向前传播。这时波源处的水面每振动一次,水面上就会产生一个新的波列。

  设波源的振动周期为T,即波源每隔时间T振动一次,则水面上两个相邻波列之间的距离就为VT,其中V是波在水中的传播速度。在物理学中我们把这一相邻波列之间的距离称为波长,用符号λ表示。这样,波的波长、波速及振动周期三者的关系就可表示为:λ=VT (1)

  由于波源振动一次所需的时间为T,则波源在单位时间内振动的次数就为1/T。物理学上,把波源在单位时间内振动的次数称为波的频率,用f表示。这样,它和周期的关系就可表示为f=1/T, 或T=1/f (2)

  此式是我们讨论与波有关问题的基本公式,虽然是对水波的传播总结出来的,但它对一切波都适用。

  实验研究表明:对于确定的介质,波的传播速度V是一个定值。所以,当波在某一确定的介质中传播时,它的波长λ与它的周期成正比(与频率成反比)。即波的频率越高,周期越小,其波长越短;反之,波的频率越低,周期越大,其波长越长。

  对声波而言,声音的频率决定着声音的音调。即声波的频率越高,声波的音调也越高,声音也越尖、越细,甚至越刺耳。根据上述的结论,产生高音的声源振动较慢,振动周期长,对应声波的波长也较长。例如:10000Hz的声波的波长是100Hz声波波长的1/100。

  而在可见光中,光波的频率决定着色光的颜色。频率由低到高依次对应红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。其中红光频率最低,波长最长;紫光的频率最高,但波长最短。

  假设有个光源每隔时间T发出一个波列,即光源的周期为T。如图,当它静止时相邻两个波列时间间隔为 T,距离间隔为 λ=cT

  当光源以速度V离开观察者时,在每两个相邻的波列之间的时间里光源移动的距离为VT,于是下一个波峰到达观察者所需的时间便增加了VT/c,所以,相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间就为:

  即这时相对于观察者而言,光波的周期变长了,频率变低了。根据上面关于频率于光色之间的关系可知,次光的颜色会向红光偏移。物理学上,把这一现象称为红移。

  这时到达观察者那里的两个相邻的波列的距离,即波长就变为 λ’=cT+VT

  即波长增加了V/c,我们把这个相对增加量就成为红移量,它取决于光源的远离速度。由于一般情况下V c,所以看不到光谱的红移现象;仅当V与c可以比较时,才有可能出现较为明显的红移现象。

  例如室女座星系团正以约1000公里/秒的速度离开我们的银河系,于是它的频谱上任何谱线的波长都要比正常值大一个比率 λ’/λ=1+V/c =1+10000/=1.0033

  若光源是向着观察者运动的,这时只需将以上公式中V改为-V就可以了。所不同的是,这时将出现光的蓝移现象。

  根据光源的移动速度,我们可以计算出光在频谱中的偏移量;反之,根据光在频谱中的偏移量,我们也可以计算出光源相对我们的移动速度。理解这一点,我们就不难理解哈勃定律的发现过程了。

  我们都曾有过这样的经验,当警车或救护车从远方靠近时,感觉其警报声音的频率似乎越来越高,

  当声源朝观察者靠近时,前方的波由於声源的运动而被压缩,於是感觉频率增高了。

  反之,远离时则波前间的距离增加了,而感觉频率变小了!如下图:波源往右方运动

  例如:由观察宇宙中各星球的光谱都有红位移的现象,即 各星球似乎都远离我们而去。

  以下这个 Java 动画让你看出各种不同波源速度下,相对於静止观察者所感受到的都卜勒效应。

  波速 波长 以及波源行进的速度 (以滑鼠按住相对应箭头顶端后 拖动滑鼠)

  如下图,当水面上的小虫子在原地摆动它的肢体时,会产生以它为圆心 向四方散开的水波

  假如 小虫子摆动它的肢体时 也同时朝著前方游动时,我们可能会观察到如下的水波

  下图则 综合各种不同 速度时的情形,v 为 虫子游动的速度, vw为水波的波速

  当 波源移动的速度大於波本身的速度时,会形成一三角形(三度空间时:圆锥形)的波前,

  所有的波同时抵达最前方的波前上,於是波相叠加,而形成震波(Shock wave)。

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