多普勒效应是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,当火车接近观察者时,其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有:警车的警报声和赛车的发动机声。其示意图如下图1。
图1:多普勒频移示意图
把声波视为有规律间隔发射的脉冲,可以想象若你每走一步,便发射了一个脉冲,那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动是更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说,在你之前的脉冲频率比平常变高,而在你之后的脉冲频率比平常变低了。
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高,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向他,光线就成为蓝移。
在卫星移动通信中,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。
在移动通信中,由于手机持有者在高速移动的汽车或火车上,多普勒效应的影响也是非常显著的。
由此,多普勒效应是指物体辐射的波长因为辐射源和观测者的相对运动而产生变化,在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高。在运动的波源后面,产生相反的效应,波长变得较长,频率变得较低,波源的速度越高,所产生的效应越大。
多普勒频移Δf与运动速度v和频率f的关系为(c为光速):
Δf / f = v / c
当速度v很小时,Δf也很小,多普勒频移可忽略不计。但当速度很高的运载体上必须考虑多普勒频移,且频率越高,频移越大,他们之间的关系详见下表1。
表1:多普勒频移与运动速度、频率的关系表
欲进一步了解无线通信中降雨衰减现象的请进入。