v2.0.9802.37465
Fizyka dla każdego
Akustyka pomiarowa: czasy nadejścia i Doppler odbiciowy · 4 min czytania

Doppler w echu: dwa przesunięcia i pomiar szybkości

Głośnik wysyła stały ton w stronę poruszającej się powierzchni, a mikrofon obok niego odbiera echo. Powierzchnia najpierw odbiera falę, a potem odsyła ją jako poruszające się źródło. Stąd biorą się dwa przesunięcia Dopplera.

Opublikowano: 02.11.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Oceń ten artykuł: od 1 do 5 gwiazdek
(0 głosów) . Jeszcze nie oddano głosów.

Kliknij gwiazdkę, aby od razu oddać ocenę. Klawiaturą wybierz gwiazdkę klawiszem Tab i naciśnij Enter lub spację. Jeden głos na materiał z danej przeglądarki.

Głośnik wysyła stały ton w stronę poruszającej się powierzchni, a mikrofon obok niego odbiera echo. Powierzchnia najpierw odbiera falę, a potem odsyła ją jako poruszające się źródło. Stąd biorą się dwa przesunięcia Dopplera.

Potrzebne wiadomości: Efekt Dopplera dla ruchomego źródła i odbiornika, odbicie fali, ilorazy oraz różnica częstotliwości.

Co oznacza „dwa razy Doppler”?

Nadajnik i odbiornik spoczywają obok siebie w nieruchomym ośrodku. Płaska powierzchnia znajduje się przed nimi i porusza wzdłuż wspólnej osi. Fala pada prostopadle, a odbita wraca tą samą drogą. Częstotliwość nadaną oznaczamy f₀, odebraną fₑ, a prędkość dźwięku c. Symbol u oznacza tu składową prędkości powierzchni skierowaną ku nadajnikowi: u > 0 dla zbliżania, u < 0 dla oddalania. Zakładamy |u| < c.

Nie jest to ta sama konwencja co składowe osi x w poprzedniej lekcji. Tutaj dodatnie u świadomie wiążemy ze zbliżaniem. Przed podstawieniem zawsze czytamy definicję symbolu. Nadajnik nie porusza się, a f₀ nie zmienia podczas pomiaru.

Etap 1: fala dociera do ruchomej powierzchni

Długość fali padającej w ośrodku wynosi λ₀ = c/f₀. Powierzchnia zbliżająca się z szybkością u napotyka fronty z szybkością c + u. Częstotliwość drgań wymuszanych na tej powierzchni wynosi zatem:

f_1=\frac{c+u}{\lambda_0}=f_0\frac{c+u}{c}.

To rytm w miejscu odbicia. Jeszcze nie jest częstotliwością, którą zarejestruje nieruchomy mikrofon.

Etap 2: powrót od ruchomego miejsca odbicia

Zakładamy odbicie liniowe, bez wytwarzania dodatkowych harmonicznych: w układzie poruszającej się powierzchni fala odbita ma ten sam rytm f₁ co padająca. Miejsca odbicia przesuwają się ku mikrofonowi. Dla fali powrotnej są więc źródłem zbliżającym się z szybkością u:

f_e=f_1\frac{c}{c-u}=f_0\frac{c+u}{c-u}.

To wynik dokładny w przyjętym klasycznym modelu jednowymiarowym. Nie mnożymy jednego przesunięcia przez dwa: w pierwszym etapie porusza się odbiornik, w drugim źródło, więc czynniki są różne.

Nieruchomy nadajnik i odbiornik po lewej, zbliżająca się powierzchnia po prawej. Fala padająca biegnie w prawo, odbita w lewo. Podpisano częstotliwość padającą, rytm na powierzchni i częstotliwość powrotną.
W pierwszym etapie powierzchnia jest ruchomym odbiornikiem. W drugim jest ruchomym źródłem fali odbitej. Dwa etapy mają różne czynniki Dopplera. Powiększ rysunek.

Dokładne przesunięcie i użyteczne przybliżenie

Odejmijmy częstotliwość nadaną:

\Delta f=f_e-f_0=f_0\left(\frac{c+u}{c-u}-1\right)=\frac{2f_0u}{c-u}.

Jeśli |u| jest dużo mniejsze od c, w mianowniku możemy przybliżyć c − u przez c. Dostajemy Δf ≈ 2f₀u/c. Warunek małych prędkości dotyczy ilorazu |u|/c, nie tego, czy u wydaje się małe w codziennym języku.

Na przykład dla f₀ = 40,0 kHz, c = 340 m/s i u = +17,0 m/s mamy u/c = 0,050. Dokładnie fₑ ≈ 44,211 kHz, czyli Δf ≈ 4,211 kHz. Przybliżenie daje Δf ≈ 4,000 kHz. Różnica to około 0,211 kHz, co stanowi 5% dokładnego przesunięcia. Nie jest to 5% całej częstotliwości echa: zawsze wskazujemy, względem której wielkości liczymy błąd.

Ruchoma powierzchnia może wymieniać energię z falą. Sama zmiana częstotliwości nie pozwala obliczyć mocy echa: potrzebne byłyby jeszcze amplituda, geometria i warunki odbicia. Nasz rachunek śledzi rytm, nie natężenie.

Od stosunku częstotliwości do szybkości

W pomiarze znamy f₀ i fₑ, a szukamy u. Wprowadzamy r = fₑ/f₀, mnożymy przez c − u i przestawiamy wyrazy:

r(c-u)=c+u,\qquad c(r-1)=u(r+1),\qquad u=c\frac{r-1}{r+1}=c\frac{f_e-f_0}{f_e+f_0}.

Dla fₑ > f₀ wynik jest dodatni — powierzchnia się zbliża. Dla fₑ < f₀ wynik jest ujemny — oddala się. Dla r = 1 dostajemy zero, zgodnie ze stacjonarną powierzchnią. Odległość od powierzchni wpływa na czas powrotu i osłabienie sygnału, ale w tym modelu stałego ruchu nie wchodzi do stosunku częstotliwości.

Czy dudnienia określają kierunek ruchu?

Przy nałożeniu bliskich tonów możemy zmierzyć częstość dudnień fd = |fₑ − f₀|. Wartość bezwzględna gubi znak. Dla nadajnika 40 kHz i dudnień 1 kHz możliwe jest zarówno echo 41 kHz, jak i 39 kHz. Do ustalenia kierunku potrzebujemy informacji, który ton jest wyższy, albo pomiaru zachowującego znak przesunięcia.

Dudnienia 1 kHz można otrzymać z echa 39 kHz albo 41 kHz przy nadajniku 40 kHz. Odpowiadają im oddalanie 4,304 m/s i zbliżanie 4,198 m/s.
Wartość bezwzględna różnicy częstotliwości gubi informację, który sygnał ma większą częstotliwość. Same dudnienia nie określają kierunku ruchu. Powiększ rysunek.

Gdzie kończy się ten opis?

Rozważamy prostopadłe odbicie od jednej powierzchni, jednorodny ośrodek i jednostajny ruch. Nie jest to gotowy model pomiaru pod dowolnym kątem. W przybliżeniu małych prędkości dla rozpraszania wstecznego występuje składowa prędkości wzdłuż wiązki, ale nie wolno bez uzasadnienia wstawiać cosinusa do każdego miejsca dokładnego wzoru wyprowadzonego dla jednego wymiaru. Różne prędkości w obszarze odbicia mogą dawać zakres częstotliwości, a nie jeden ton.

Przytoczone równania dotyczą dźwięku. Dla radarów i światła trzeba osobno ustalić relatywistyczny model; podobieństwo niektórych końcowych wzorów nie usuwa różnicy założeń.

Sprawdź: czy nieruchoma ściana podwaja częstotliwość, bo fala biegnie w obie strony?

Nie. Dla u = 0 oba czynniki Dopplera są równe 1. Droga powrotna wydłuża czas przelotu, a nie liczbę drgań na sekundę. Czynnik 2 w małym przesunięciu pojawia się dopiero jako skutek dwóch oddziaływań z ruchem powierzchni.

Kontrola granic i dokładność przybliżenia

Dla \beta=u/c stosunek częstotliwości echa wynosi (1+\beta)/(1-\beta). Gdy u→0, stosunek dąży do 1. Rozwinięcie dla małego |β| daje 1+2β+2β²+…, więc pierwszy pominięty wkład do całej częstotliwości jest drugiego rzędu. Dla samego przesunięcia względny błąd przybliżenia 2f₀u/c wynosi jednak dokładnie |u|/c dla u≠0. Dlatego mały błąd całej częstotliwości może być znaczną częścią niewielkiego przesunięcia. Granica u→c leży poza praktycznym użyciem prostego modelu powierzchni; algebraiczny wzrost częstotliwości nie jest obietnicą nieograniczonego działania rzeczywistego źródła.

Zadania do tego tematu

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Teoria Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.