均匀静止介质 · 一维声波

谁动了,频率为何变?

先把“观察者动”和“声源动”拆开看波前,再把两种效应合进一个多普勒公式。轨道中声源在左、观察者在右。

f′ = f₀ (u + vₒ) / (u − vₛ)
本页采用“相互靠近为正”的速率约定;远离时对应速率取负。

先押一个判断

若声源不动,只让观察者朝声源运动,介质中的波长会怎样? 先选答案;实验后再核对,不立即揭晓。

调节运动状态

上轨只演示观察者运动,下轨只演示声源运动;右侧计算则同时采用四个滑块的数值。这样既能看清各自机制,也能看到合成结果。

正负号约定:vₒ > 0 表示观察者朝声源运动,使分子 u + vₒ 增大;vₛ > 0 表示声源朝观察者运动,使分母 u − vₛ 减小。负值表示彼此远离。始终限制 |vₛ| < u。
声源 观察者 波前

把动画读成证据

上轨:观察者移动

声源固定在介质中,相邻波前的间距保持 u/f₀。观察者迎着波前运动,单位时间内遇到的波前数增加,所以接收频率升高。

证据:波峰刻度等距,变化的是蓝色观察者穿过波前的速度。

下轨:声源移动

每个波峰发出后仍以 u 相对介质传播,但声源发出下一峰的位置已经前移,前方波长变为 (u − vₛ)/f₀。

证据:红色声源向右移动时,右侧波峰间距直接被压缩。

先选择一个判断,再用上轨寻找证据。

结论:一个改“遇波率”,一个改“波长”

移动观察者:介质中的波长不变,分子 u + vₒ 体现观察者遇到波前的相对速率。

移动声源:介质中声源前方的波长改变,分母 u − vₛ 体现发射位置的移动。

合并:f′ = f₀(u + vₒ)/(u − vₛ)。靠近取正,远离取负。

动画将所有频率统一除以100以便观看,每4秒从初始位置重放。两条对照中波峰在介质内始终按同一速度传播;频率数值仍为真实单位。