Основные характеристики волновых процессов. Эффект Доплера. Его значение в акустике, оптике и космологии

 
4.2 Показатели работы и эффективности прибора 

     Существует  два способа установки ADCP. Излучателями вниз – тогда он будет производить измерения, например, от поверхности до 100 метров, или, если поставить его на буйковую станцию, например, от 150 метров до 250. Излучателями вверх – ставят либо на дно, где он будет измерять течения от дна до поверхности, или насколько  хватит его мощности, либо подвешивают на притопленной буйковой станции, чтобы смотреть поверхностные течения. Если установка произведена излучателями вверх и до поверхности не так далеко, то можно засечь движение льда и даже движение ветра над местом постановки (если воздух будет достаточно влажным).

На больших научно-исследовательских кораблях ADCP установлен на постоянной основе и находится на днище. Типичный прибор (75 кГц) достаточно мощный для того чтобы проводить измерения до 700 метров. Во время работы ADCP посылает и принимает несколько акустических импульсов в секунду. Встроенный компьютер обрабатывает принятый сигнал и выводит силу и направление течений в столбе воды под кораблём в реальном времени. Таким образом, специалисты могут наблюдать изменяющуюся структуру океанских течений во время движения корабля практически беспрерывно. Технология ADCP очень надёжна и система нуждается в минимальном техническом сопровождении, а также не требует долгого обучения.  

5. Полезный экономический эффект

   Эффект  Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Рассмотрим повышение эффективности работы процессов, основанных на эффекте Доплера, более подробно в таких областях, как медицина и геодезия.

    Геодезия. Последним крупным достижением в области геодезии является так называемое автономное определение координат точек, расположенных на и вблизи земной поверхности. Слово "автономный" означает, что при производстве наблюдений на определяемом пункте не требуется прямой видимости на соседние пункты.

    Автономное  определение координат точек  выполняется с помощью спутниковых  навигационных систем (СНС). В настоящее  время функционируют навигационные  системы 1-го поколения ЦИКАДА (Россия) и TRANSIT (США) и системы 2-го поколения ГЛОНАСС (Россия) и NAVSTAR (США). Система NAVSTAR имеет и другое название - GPS (Global Positioning System); спутники СНС NAVSTAR (числом около 20) вращаются вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 20000 км. Наземный командно-измерительный комплекс этой системы включает координационно-вычислительный центр, командно-измерительную станцию, несколько станций слежения (Аляска, Калифорния, Гавайские острова и остров Гуам) и станции закладки служебной информации (в штатах Северная Дакота и Калифорния).

     При использовании российских навигационных  систем координаты определяемых пунктов  получаются в системе координат 1942 года (СНС ЦИКАДА) или в системе  СГС-90 (СНС ГЛОНАСС), при использовании  американских систем - в системе  координат WGS-84.

     В спутниковых навигационных системах 1-го поколения для определения местоположения используется эффект сдвига частот радиоизлучения движущегося источника (эффект Доплера). Одно наблюдение спутника позволяет написать уравнение одной линии положения, имеющей форму либо гиперболы (доплеровский дифференциальный метод) либо более сложной кривой изодопы (доплеровский интегральный метод). При n наблюдениях положение наблюдателя получается в одной из точек пересечения n соответствующих гипербол или изодоп.

     В период с 1987 по 1993 год для общего повышения точности и однородности государственной геодезической сети СССР создана доплеровская геодезическая сеть из 136 пунктов, равномерно расположенных по всей территории.

     В спутниковых навигационных системах 2-го поколения измеряются "дальности", то есть, расстояния от определяемой точки до спутников, координаты которых известны на любой момент времени. Геометрическая идея такого определения заключается в нахождении положения точки из линейной пространственной засечки; положение точки фиксируется либо тремя прямоугольными координатами X, Y, Z либо геодезическими координатами на эллипсоиде (широтой B и долготой L) и высотой H над поверхностью эллипсоида.

     Поскольку при обработке наблюдений спутников  приходится учитывать параметр "время", то для однозначного решения засечки требуется наблюдать 4 спутника, расположенных равномерно по азимуту (через 90^o) и под углом наклона = 40^o - 60^o к горизонту (рис.3).

Рис.3

Области применения СНС для целей геодезии:

• построение общеземной фундаментальной геоцентрической системы координат и поддержание ее на уровне севременных и перспективных требований науки и практики,
• установление единой геодезической системы координат на территории страны,
• изучение деформаций земной поверхности, предваряющих и сопровождающих землетрясения и другие опасные природные явления,
• изучение фигуры и гравитационного поля Земли и их изменений во времени,
• геодезическое обеспечение картографирования территории страны и акваторий окружающих ее морей,
• геодезическое обеспечение проведения земельной реформы, кадастров, строительства, добычи и разведки природных ресурсов,
• метрологическое обеспечение средств и методов определения координат и ориентирования в пространстве.
• определение местоположения транспортных средств на суше, на воде и в воздухе.

    Медицина. Самым революционным открытием в медицине XX века стала ультразвуковая диагностика. Результат УЗИ (ультразвуковое исследование) часто является решающим аргументом при постановке диагноза и выборе тактики лечения многих заболеваний.

    Доплеровское  УЗИ - это неинвазивное исследование, которое может быть использовано для оценки кровотока и давления в сосудах за счет отражения ультразвуковых волн от красных кровяных клеток - эритроцитов. Данный метод диагностирования способен установить скорость кровотока в сосудах, измерением величины изменения частоты волн. Это исследование может быть альтернативой более инвазивным методам, таким как ангиография, артериография или венография, которое выполняется введением контраста в сосуды с последующими рентгеновскими снимками.

   Также в наши дни в медицине широко применяется Метод Доплера (Doppler Technique). Это диагностический метод, в котором определение консистенции и структуры тканей основано на изменении частоты ультразвуковых волн, исходящих из тканей различной плотности. Данный метод широко применяется для диагностики опухолей и других поражений мягких тканей, а также для исследования функции сердца и кровотока в периферических артериях, так как в зависимости от изменения относительной скорости кровотока частота звуковых волн меняется. Последнее свойство также используется для исследования маточного и плацентарного кровообращения во время беременности в процессе пренатальной диагностики для определения состояния здоровья плода и его возможных аномалий. Полученные в ходе такого исследования результаты могут потребовать применения дальнейших (инвазивных) диагностических процедур, например, хордоцентеза.

   Доплеровское  УЗИ  может помочь в диагностике многих состояний, включая:

• Сгустки крови - тромбы
• Несостоятельность венозных клапанов в венах ног, что вызывает венозную недостаточность (появляются боли в голенях и отеки)
• Дефекты сердечных клапанов и врожденные сердечные заболевания.
• Окклюзия (закупорка) артерии
• Сужение просвета артерий

   Данный  способ исследования так же помогает доктору оценить повреждение артерий или мониторировать реконструкцию артерий и шунтов.  

6. Вывод

    На  мой взгляд, тема данной курсовой работы актуальна в настоящее время, поскольку применение описанного физического явления в науке и технике только  набирает обороты. Также, чтобы убедиться в том, что эффект Доплера действительно существует, не обязательно быть профессором или физиком. Мы все когда-либо наблюдали это явление - изменение тона гудка приближающегося или удаляющегося поезда. В первом случае он выше, а во втором ниже. Это легко объяснить. Тон звука, слышимый нами, зависит от частоты звуковой волны, доходящей до уха. Если источник звука движется нам навстречу, то гребень каждой следующей волны приходит чуть быстрее, так как был испущен уже ближе к нам. Волны воспринимаются ухом, как более частые, то есть звук кажется выше. При удалении источника звука, каждая следующая волна испускается чуть дальше и доходит до нас чуть позднее предыдущей, а мы ощущаем более низкий звук. Сами того, возможно, не сознавая, мы при этом наблюдаем основное и , по-моему мнению, самое полезное свойство волн.  То же самое происходит, если движется не источник звука, а мы сами. Если мы набегаем на волну, её гребни пересекаем чаще, и звук кажется выше. Если убегаем от волны - наоборот. То есть не важно - движется источник или приёмник звука. Для наблюдения эффекта Доплера главное - их движение относительно друг друга. Этот эффект наблюдается не только для звука, а и для волн любой частоты - световых и даже радиоактивного излучения.

    Длина волны или частота наблюдаемого света может не совпадать с соответствующими длинами волн или частотами света, излучаемого атомом. Точнее, воспринимаемая частота или длина волны зависит не только от внутриатомных процессов, их обусловливающих, но также и от той системы координат, с которой связаны наблюдающие аппараты. Частота волнового процесса будет различной, если её оценивать с помощью аппаратов, неподвижных относительно источника или движущихся по отношению к нему.

    Эффект  Доплера в акустике объясняется  тем, что частота колебаний, воспринимаемых приемником, определяется скоростями движения источника колебаний и приемника относительно среды, в которой происходит распространение звуковых волн. Эффект Доплера наблюдается также и при движении  относительно друг друга источника и приемника электромагнитных волн. Так как особой среды, служащей носителем электромагнитных волн, не существует, то частота световых волн, воспринимаемых приемником (наблюдателем), определяется только относительной скоростью источника и приемника (наблюдателя). Закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн устанавливаются на основе специальной теории относительности .

    Скорость  распространения волны определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, — источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

      Самое поразительное, что эффект  Доплера работает и в случае, когда частоты колебаний огромны, как в случае радиоактивного излучения, а относительные скорости источника и поглотителя - всего миллиметры в секунду. То есть энергия гамма-квантов меняется за счёт эффекта Доплера на очень незначительную величину. Это используется в спектрометрах ядерного гамма резонанса (мёссбауэровских спектрометрах).

    Для астрономов изобретен телескоп, который  работает в видимом диапазоне, но находится за пределами земной атмосферы и не мешает наблюдениям. За время своей работы космический телескоп передал на землю 700 тыс. великолепных фотографий. Он, помог астрономам определить точный возраст нашей Вселенной – 13,7 млрд. лет; помог подтвердить существование во Вселенной странной, но оказывающей огромное влияние, формы энергии – темной энергии; доказал существование сверхмассивных черных дыр; удивительно четко заснял падение кометы на Юпитер; показал, что процесс формирования планетных систем является широко распространенным в нашей Галактике; обнаружил небольшие протогалактики, зарегистрировав излучение, испущенное ими, когда возраст Вселенной составлял менее 1 млрд. лет.

    Наиболее  распространенными в жизни примерами  использования описанного в данной курсовой работе эффект Доплера являются:

• детектор движения в охранных системах.
• измерители течения
• радары милиционеров
• доплеровское УЗИ
• измерение силы ветра и скорости облаков в метеорологии
• ультразвуковая диагностика в медицине
• автомобильные сигнализации
• различные навигаторы движения и др.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

7. Литература.

1.Соросовский образовательный журнал, том 7, №10, 2001

2. Краткий справочник по физике. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1976;

3. Эффект Доплера в преломляющей среде, «Изв. АН СССР. Серия физическая», 1942, №1—2;   Енохович А.С.;

4. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -7-е изд., стер. .: М: «Высшая школа», 2001;

5. Б.М.Яворский, А.А.Пинский, "Основы физики. Том 2. Колебания и волны. Квантовая физика", Наука, 1981

6. www.wikipedia.ru

7. www.elementy.ru

8. www.sciteclibrary.ru