多普勒效應（Doppler Effect）是指波源和觀測者之間存在相對運動時，觀測者接收到的波頻率與波源實際頻率發生偏移的現象。
主要內容是物體輻射的波長因波源和觀測者的相對運動而產生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高，在運動的波源后面，會產生相反的效應波長變得較長，頻率變得較低，波源的速度越高，所產生的效應越大，根據波紅（或藍）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。該效應以物理學家克里斯蒂安·多普勒 （Christian Doppler）的名字命名，他于1842年描述了這種現象。
多普勒效應在如檢測血流量、D超、彩超等醫用方面廣泛應用。還應用于如機載火控雷達、預警雷達、低空防御雷達等交通方面。除此之外還被廣泛用來佐證觀測天體和人造衛星的運動。
簡史
多普勒效應是奧地利物理學家、數學家和天文學家多普勒（Christian Johann Doppler）在1842年偶然發現，他路過鐵路交叉口，一列火車行駛而過，他發現火車由遠而近，汽笛聲調逐漸變尖，當火車由近而遠，汽笛聲調逐漸變低，于是他對此現象進行了研究，發現當聲源遠離觀測者時，聲波的波長增加，音調變得低沉，當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調變高，當觀察者和波源相對移動時也能得到同樣的結論。同年5月25日，克里斯蒂安·多普勒在布拉格舉行的皇家波希米亞學會科學分會會議上提交了一篇題為“論天體中雙星和其他一些星體的彩色光（Ueberdas farbige Licht der Doppelsterne und einiger andererGestirne des Himmels）”的論文，在這篇論文里，正式提出了因波源或觀察者的運動而出現觀測頻率與波源頻率不同的現象，后來人們稱之為多普勒效應。
在1845年，拜斯·巴洛特（Buys Ballot）對這個假設進行了聲波測試，他證實，當聲源接近他時，聲音的音調高于發出的頻率，而當聲源遠離他時，聲音的音調低于從他身上發出的頻率。后于1848年，伊波利特·斐索（Hippolyte Fizeau）在電磁波上獨立發現了相同的現象（在法國，這種效應有時被稱為“克里斯蒂安·多普勒斐索效應”，但該名稱并未被世界其他國家采用，因為斐索的發現是在多普勒提出的六年后）。
原理
多普勒效應是指在波源與接收器之間進行相對運動時，接收器接收到的頻率與波源頻率不同的現象，如波源S在介質中的相對運動速度大小是，觀察者R在介質中的相對運動速度大小是，波在介質中的傳播速度大小是，波源的頻率是（周期為)，接收器接收的頻率為，是指單位時間內通過接收器的完整波長（即接收器檢測的波速與波長之比）。
波源與觀察者相對靜止時
當波源與觀察者相對介質處于靜止時，接收器接收的頻率即為波源的頻率，其公式為：（為波長）。
波源靜止而觀察者運動時
當波源靜止而觀察者運動時，波源發出的波的波陣面是以波源為圓心的同心圓，當接收器以的速度朝波源S運動時，同心圓的間距即為波長（公式為），其運動方向正與波的傳播方向相反，因此波相對接收器的速度為，所以接收器接收的頻率為：。
波源運動而觀察者靜止時
當波源以的速度向著靜止的接收器運動時，波源與接收器之間的距離減小，越靠近觀察者的一側，波源發出的波的點陣面就越被壓縮，接收器靜止時所檢測的波速為，由于波源的運動，所以接收器檢測的波長發生變化，在波源發出下一個波陣面時，波源向前移動的距離是，其前一個等相面的移動距離是，所以兩個等相面之間的距離為，此時接收器檢測的波長為，因此接收器接收的頻率為。
波源與觀察者均運動時
當波源越觀察者通同時運動時，由于波源運動時，接收器檢測的波長為，由于觀察者運動，接收器檢測的波速為，因此接收器接收的頻率為。
實驗驗證
聲學上的驗證
1845年，皇家氣象學院院長布依斯·巴洛特（Buys Ballot）在烏得勒支鐵路上進行了2天的實驗，他讓一隊小號樂手坐在機車的平板車廂上，讓機車快速行駛，在由訓練有素的音樂家用耳朵判斷音調的變化，再讓音樂家和小號樂手位置對調繼續實驗，2天的飾演，發現了管樂器音調的明顯變化，驗證了應用于聲學時克里斯蒂安·多普勒原理的正確性。
天文學上的驗證
在1870年，塞奇（A. Secchi）提出了觀測太陽光球東、西兩側來測定太陽旋轉的方法，他在觀測兩側譜線時也確實發現了光譜位置的差異，次年沃格耳（Vogel H C）使用分光鏡展示的太陽兩側的光譜驗證了這一方法，這與與太陽黑子確定的太陽轉動速度接近，這是多普勒光學效應首次被觀察所證實。之后，多位觀測者用多普勒原理來驗證太陽轉動速度，考紐（A. Cornu）通過約瑟夫·馮·夫瑯和費D線位移測得的位移與預計值的差別在3%以內，1891年沃格耳將觀測金星光譜片的譜線位移與已知軌道的結果相比較，證實了多普勒效應的正確性，隨后多普勒原理成功應用于一些星體運動的研究中。
光學的實驗室驗證
俄羅斯物理學家貝勒波爾斯基（Belepolsky A A）是第一個試圖用光學方法驗證多普勒原理的人，他制作了2個裝有八片反射鏡的像水輪機的用鋁制作的輪子，每個輪子與2臺直流電動機裝在同一根軸上，兩個輪子軸線平行但稍錯開留光束射入和射出的空間，共使用4臺發電機，在同一時刻轉動時使鏡面平行，調整螺絲使經過8對鏡面的反射后的光束落在由鑄鐵作支撐底的攝譜儀上，整個裝置裝在堅固的木頭桌子上。定日鏡將陽光反射至儀器前的狹縫里，經過次反射光強下降很多，攝譜儀中的三個復合棱鏡使波長為入=433nm的光處于最小偏向角位置，貝勒波爾斯基拍下了430一450nm間的光譜，成功地使像的運動速度達到了大約1km／s，與不運動時同一條約瑟夫·馮·夫瑯和費線的位置相比，證明了多普勒原理是可信的。1907年，加利津（Galitzin B）和威爾普（Wilip J）使用一個棱鏡分光鏡和邁克耳孫干涉儀重復了貝勒波爾斯基的實驗，以汞燈為光源，利用其546.1nm和4358nm的譜線，測量了有效速度為250m/s，并使運動方向改變時產生的譜線移位的實驗值與理論值的差別在10%以內；同一時期，斯塔克（Stark J）、弗里德里希·帕邢（Paschen F）等人使用電子管陰極射線進行了實驗，在1914一1919年期間，法布里（Fabry C）和布森（Buisson H）進行了一些用F一P標準具分辨多普勒位移的實驗。
應用
醫學應用
檢測血流量
在醫學上的應用以超聲多普勒測血流最為廣泛，為了檢查心臟、血管的運動狀態以及血液流動速度，可以通過發射超聲來實現，由于血管內的血液是流動的物體，所以超聲波振源與相對運動的血液間就會產生多普勒效應；當血管向著超聲源運動時，反射波的波長被壓縮，頻率增加，血管離開聲源運動時，反射波的波長變長，頻率減少，由于反射波頻率增加或減少的量與血液流動速度成正比，因此可根據超聲波的頻移量，測定血液的流速。
D超
超聲頻移診斷法即D超，此法應用多普勒效應原理，當聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對運動時，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱為頻移。D超包括脈沖多普勒、連續多普勒和彩色多普勒血流圖像。
彩超
彩色多普勒顯像（CDFI），常簡稱為“彩超”又稱C型成像，彩超的工作原理是：超聲探頭發射聲束，對臟器進行掃描，每條掃描線發射多個脈沖（抽樣點），利用運動目標顯示器，采用自相關技術，每個取樣點運動產生的多普勒頻移信號，輸入彩色編碼器，根據紅迎藍離的國際約定，將朝向探頭的編碼為紅色，背離探頭的編碼為藍色。并用色彩的明暗度來表示血流速度的快慢，然后把血流所顯示出的彩色信號，疊加到二維灰階圖像上，即為彩色多普勒圖像。
超聲檢查
超聲檢查是臨床最常用的影像學檢查方法之一，具有無創、操作簡便、圖像清晰、實時顯示等優點。超聲檢查技術可用于觀察各臟器的解剖結構、內部質地、組織病變的形態改變等；可用于心臟舒縮、膽囊收縮、膀胱排空和胃腸蠕動等功能檢測；可用于了解血流方向、速度和血流狀態，測量血流動力學參數，觀察器官組織正常或病變狀態下的血流分布及灌注情況；可以在實時超聲引導下行穿刺引流或置管、穿刺活檢行細胞或組織病理學檢查、實施腫瘤的介入治療等。
交通應用
激光多普勒測速儀
激光多普勒測速儀（也稱為激光測速計、激光流速計，簡稱LDV）利用激光多普勒效應測量流體或固體運動速度，基于散射光的多普勒頻移獲得速度信息，為了增強光強，需要在流體中懸浮適當尺寸和濃度的微粒，這些微粒通常能跟隨流動，因此可以用它們的速度來代表流體速度，且LDV不會干擾流場，測速范圍寬，速度與頻率呈線性關系，精度較高。激光測速儀應用廣泛，如管道內水流層流研究，層流過渡區速度分布的測量、瑞流測量、噴氣流速度測量、旋渦測量、高分子化合物減阻測量等，它還可用于小區域和邊界層測試、非牛頓型流體研究、氣固、液固、氣液二相流測量以及火焰流體力學研究。專用的激光測速儀可用于水洞、風洞、海流、船舶和航空測量。在工廠生產中，可用于測定鋁板、鋼板的軋制速度，固體粉末和天然氣的輸送速度，以及控制棉紗、紙張、人造纖維等的生產速度。
多普勒聲納
多普勒聲納（Doppler sonar）它是通過測量定位體，和相對于海底、海水或深海散射層的速度位移以及航偏角等數據來確定相對于起點的位置，在船上沿四個方向對大洋底部發射四束狹窄的高頻(150~300千赫）聲納射束來測量船速，射束反射回到船上接收器時，船會相對于大洋底部運動，這些射束的頻率會發生多普勒頻移，每個射束的頻移給出船速在那個方向的分量，分解這些分量就能推算出船的實際速度(結合回轉羅盤上的方向數據），累計起來就可作出連續的航海位置圖。
多普勒雷達
利用多普勒效應進行目標檢測和信息提取的雷達稱為多普勒雷達，分為連續波多普勒雷達和脈沖多普勒雷達。脈沖多普勒雷達通過對脈沖列信號進行頻譜分析和濾波，測得目標的徑向速度和距離，與一般時域監測的雷達不同，脈沖多普勒雷達是頻域檢測，利用目標回波信號的多普勒頻移特點，能在強地雜波、海雜波中檢測出微弱的運動目標信號。因此，脈沖多普勒雷達應用廣泛，如機載火控雷達、預警雷達、低空防御雷達、艦載雷達、戰場偵察雷達、火炮定位雷達、氣象雷達、導彈導引頭等。多普勒效應還可用于檢測車輛超速，通過計算返回信號與原信號的比值來判斷，此外，多普勒效應還廣泛應用于氣象預警、衛星通信等各個領域。
振動測量
在振動測量方法的光學法中，其就利用了激光多普勒效應原理、光杠桿等原理，使得其具有不受電磁場干擾，測量精確度高，對質量小及不易安裝傳感器的試件作非接觸測量。
航空應用
衛星定位
多普勒效應可以應用在跟蹤人造地球衛星的位置上，衛星會持續發射頻率穩定的無線電訊號，衛星在趨近地面上的跟蹤站和遠離跟蹤站時，地面跟蹤站接收到的訊號頻率是不同的，由此根據接收到的頻率可測知衛星的位置。
衛星導航
衛星多普勒導航系統（Doppler navigation system），是利用測量衛星信號多普勒頻移進行定位的衛星導航系統。由于多普勒效應，衛星相對于定位體（如觀測船）高速運行，使定位體接收到的衛星頻率與衛星發射的頻率之間相差一個多普勒頻移值，它與衛星和定位體之間的距離變化率成正比，據此可用來確定定位體與衛星的相對位，例如子午儀系統就是一種衛星多普勒導航系統。
衛星通信
衛星在高速飛行過程中會產生多普勒效應，通信頻率會有變化，只要調整一兩次即可完成通信。
多普勒增寬
原子、分子和離子由于熱運動使其發射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，由于多普勒效應，接收具有一定速度的運動原子光源的輻射頻率時會產生輻射的多普勒頻移效應，常用于天體物理和受控熱核聚變實驗裝置中。光譜線的克里斯蒂安·多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態的重要測量和診斷手段。
天文應用
當觀察者向光源移動時或者光源靠近觀察者時，觀察者接收的波長變短，產生的現象叫做多普勒藍移；當觀察者遠離光源或者光源遠離觀察者時，觀察者接收到的波長變長，產生的現象叫做多普勒紅移，天文學根據這一現象通過望遠鏡觀測遙遠的天體，通過觀測星系光譜的紅移程度，科學家可計算其退行速度。20世紀初，美國天文學家愛德文·哈勃基于星系紅移現象（被認為是緣于光的多普勒效應）得出哈勃定律。20世紀40年代蓋莫夫從宇宙膨脹以及哈勃定律出發提出了宇宙大爆炸的假說。1968年，英國天文學家W.哈金斯首次應用多普勒效應的原理測量3天狼星的視向速度，并宣布它正遠離地球。此后，各國天文學家對其他恒星乃至河外星系進行了大量類似的觀測。結果發現，星系光譜有普遍多普勒紅移現象。
研究意義
光波的多普勒效應在現代天文學與宇宙學中具有重要意義，天文學家們利用多普勒效應發現了宇宙紅移現象，即所有天體都在遠離地球，根據這一現象，天文學家們提出了著名的“宇宙大爆炸學說”和“暴漲理論”，即所有天體源于數百億年前的一場大爆炸，并在爆炸的~秒里膨脹了10萬億倍，宇宙也從起初的只是能量，跟隨著不斷的膨脹，能量逐漸轉換成物質，物質形成了宇宙的主體，且大爆炸所產生的余威一直在繼續，使形成的天體仍在不斷地向從中心向四周飛散，宇宙也在不斷地膨脹。
參考資料 >