什麼是都卜勒效應?
都卜勒效應(Doppler effect)是指當聲源、觀測者,或兩者相對於傳播介質運動時,所觀測到的波頻率會發生變化。這也正是為什麼救護車鳴笛在駛近時聽起來音調較高、遠離時音調又變低的原因。本計算機處理的是經典的「聲學都卜勒效應」,也就是聲音在空氣等介質中傳播時的情形。
如何使用本計算機
請輸入聲源頻率 \(f\)(單位赫茲 Hz)、聲音在介質中的傳播速度 \(c\)(乾燥空氣於 20 °C 時約為 343 m/s),以及觀測者與聲源的速度。當觀測者「朝聲源移動」時,觀測者速度(\(v_o\))填正值;當聲源「朝觀測者移動」時,聲源速度(\(v_s\))填正值;若為遠離方向,則填負值。計算機會回傳觀測頻率 \(f'\) 與頻率變化量 \(\Delta f\)。
公式說明
聲學都卜勒效應的通式為 $$f' = f \cdot \frac{c + v_o}{c - v_s}$$ 觀測者朝聲源移動會使分子變大,聲源朝觀測者移動則會使分母變小——兩者都會讓觀測頻率提高。若把運動方向反過來(符號取反),觀測頻率便會低於原本的聲源頻率。
實例演算
一輛汽車的喇叭發出 \(f = 440\ \text{Hz}\) 的聲音,以 \(v_s = 30\ \text{m/s}\) 朝靜止不動的聽者駛來,空氣中音速 \(c = 343\ \text{m/s}\),而觀測者靜止(\(v_o = 0\))。則 $$f' = 440 \times \frac{343 + 0}{343 - 30} = 440 \times \frac{343}{313} \approx 482.17\ \text{Hz}$$ 喇叭駛近時,音調約上升了 42 Hz。
常見問題
這個公式適用於光嗎?不適用——光必須使用相對論性都卜勒公式,因為光的傳播不需要介質。本計算機僅適用於聲波。
音速該填多少?空氣於 20 °C 時約為 343 m/s;實際數值會隨溫度、濕度與介質而變化(在水中約為 1480 m/s)。
若聲源達到音速會怎樣?當 \(v_s = c\) 時分母為零,公式失效——此時進入音爆(衝擊波)的範圍,計算機會回傳 0。