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輸入計算

+ 朝聲源移動,− 遠離
+ 朝觀測者移動,− 遠離

數學公式

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結果

觀測頻率 f'
440
Hz
聲源頻率 f 440 Hz
頻率變化量 Δf 0 Hz

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。

運動聲源前方被壓縮、後方被拉伸的聲波
運動的聲源會壓縮前方的波前(音調更高),拉伸後方的波前(音調更低)。

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。

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標註了聲源頻率、聲速、聲源速度和觀察者速度的示意圖
公式中的變數:聲源以 \(v_s\) 運動,觀察者以 \(v_o\) 運動,聲音以速度 \(c\) 傳播。

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。

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