多普勒原理在超声波流量测量领域的应用

威尼斯官方网站登录,近日,美国光学学会旗下期刊《光学快报》在线发表我校物理与微电子科学学院2014级电子科学与技术专业本科生刘振兴等人的论文;Geometric
phase Doppler effect: when structured light meets rotating structured
materials。该研究工作提出并实现了一种新的多普勒效应:几何相多普勒效应。威尼斯官方网站登录 1在日常生活中,我们都会有这样的经验:当一列鸣着汽笛的火车经过时,我们听到火车汽笛的声调会由高变低。为什么会发生这种现象呢?这是因为声源是运动的,所以我们感受到的频率变了。当火车靠近时,声音的频率变高,声调听起来高;当火车远离时,声调听起来低。这种现象称为多普勒效应。多普勒效应有着非常广泛的应用,医学上利用超声多普勒效应进行诊断,天文学家用它测出天体的运行速度,航天工程上用它利用雷达进行人造卫星等运动目标的监测等。
威尼斯官方网站登录 2几何相多普勒效应中的频移与物体的旋转速度以及物体的几何结构有关刘振兴等人提出了一种不同于传统的多普勒效应,即几何相多普勒效应。在传统的多普勒效应中,频移和物体的运动速度有关。然而在几何相多普勒效应中,频移不仅与物体的运动速度有关,而且还与物体的几何结构相关。理论上,几何相多普勒效应可以理解为几何相在混合阶庞加莱球上的动态演化,频移即为几何相随时间的变化率。几何相多普勒效应预计在实际生活中也将有着非常重要的应用,例如通过设计旋转物体的几何结构可以提升、降低、甚至消除物体运动导致的频率改变。威尼斯官方网站登录 3几何相多普勒效应导致扭曲的电磁波刘振兴于2015年3月加入物电院自旋光子学实验室,在罗海陆副教授课题组学习研究。这是他在参加物电院;本科生科研能力提升计划期间以第一作者身份发表的第二篇光学领域顶级刊物论文。第一篇论文作为封面文章发表在《Photonics
Research》上。此外,他还负责了大学生创新训练项目;基于超表面的自旋光子学器件,并于2016年12月参加湖南省物理学术年会,作了题为;基于电介质超表面调控光的Berry相位的口头报告。阅读延伸:Optics
Express是由美国光学学会出版的开放获取期刊,重点关注光学与光子学领域的研究热点。期刊编委会由世界知名光学与光子学专家组成。根据2016年6月汤森路透公司发布的最新期刊引证报告,该杂志是物理学JCR分区中的SCI二区刊物,2015年影响因子3.148。
论文链接:
蒋晶丽

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多普勒效应是澳大利亚物理学家、数学家多普勒1842年首先从运动着的发声源中发现的现象:
让我们来首先了解一下多普勒效应。在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车向某观察者驶来时,他会发现火车汽笛的声调由低变高;当火车远离时,声调则由高变低。为什么会发生这种现象呢?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。多普勒效应是指物体辐射的波长因为光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,根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度,恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度,这种现象称为多普勒效应。多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。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。一、声波的多普勒效应在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低.
为什么会发生这种现象呢?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,它是用发现者克里斯蒂安·多普勒的名字命名的,多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.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,好象波被压缩了.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,好象波被拉伸了.
因此,声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=/f
,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;当观察者背离波源运动时,v0取负号.
当波源朝观察者运动时vs前面取负号;前波源背离观察者运动时vs取正号.
从上式易知,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。二、多普勒效应在超声波流量测量领域的应用假设,超声波波束与流体运动速度的夹角为θ,超声波传播速度为c,流体中悬浮粒子运动速度与流体流速相同,均为u.现以超声波束在一颗固体粒子上的反射为例,导出声波多普勒频差与流速的关系式.
如图所示,当超声波束在管轴线上遇到一粒固体颗粒,该粒子以速度u沿营轴线运动.对超声波发射器而言,该粒子以u
cosα的速度离去,所以粒子收到的超声波频率f2应低于发射的超声波频率f1,降低的数值为f2-f1=-
u * cosα/c * f1 即粒子收到的超声波频率为f2=f1 – u * cosα/c * f1
式中
f1――发射超声波的频率;a――超声波束与管轴线夹角;c――流体中声速。固体粒子又将超声波束散射给接收器,由于它以u
cos a
的速度离开接收器,所以接收器收到的超声波频率f3又一次降低,类似于f2的计算,f3可表示为f3=f2

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