6.4. Ефект Доплера

Використання ефекту Доплера розширює можливості лунометоду і може бути ефективним, коли ОК перебуває в стані руху відносно випромінювача-приймача. Доплерівский метод найбільше поширений в медичній діагностиці, зокрема, в ультразвуковій інтроскопії, судинній хірургії, кардіології, техніці вимірювання швидкості потоку крові в судинах. У техніці доплерівский метод застосовують у пристроях контролю витрати рідини у трубопроводах. У неруйнівному контролі найбільш ефективне застосування доплерівского методу для контролю залізничних рейок на рейсових швидкостях. Цей метод також можна застосовувати для контролю якості прокату на потоковій лінії.

Доплерівський метод ґрунтується на використанні ефекту Доплера, який полягає в тому, що частота коливань звукових хвиль, випромінюваних джерелом звуку (випромінювачем), і частота цих же звукових хвиль, що приймаються приймачем звуку, відрізняються між собою, якщо відстань між випромінювачем і приймачем у процесі випромінювання-приймання змінюється. Як приклад цього явища можна навести зміну тону сирени автомобіля, що рухається повз пішохода.

Визначимося з термінологією: під доплерівською частотою або доплерівським спектром частот розумітимемо частоту або спектр частот прийнятого (відбитого) сигналу, під доплерівським зсувом або спектром доплерівського зсуву – різницю між частотами прийнятого і випромінюваного сигналів або різницю між спектрами прийнятого і випромінюваного сигналів.

Розглянемо два найпоширеніші випадки, коли виявляється доплерівский зсув частоти: рухається приймач випромінювання відносно нерухомого випромінювача і рухається випромінювач відносно нерухомого приймача.

6.4.1. Рухомий приймач звуку

Нехай джерело і приймач звуку взаємно нерухомі (їх взаємне розташування не змінюється в часі), тоді синфазні фазові поверхні випромінюваної звукової хвилі на частоті перетинає приймач з періодом

,

де – довжина випромінюваної хвилі; – швидкість звуку в середовищі.

Під час руху приймача зі швидкістю (рис. 6.18) період його перетину синфазними фазовими поверхнями становить

, (6.6)

де – кут між вектором і напрямом на випромінювач В1, а – швидкість звуку відносно рухомого приймача.

Рис. 6.18. До розрахунку ефекту Доплера: В1 – первинний випромінювач з частотою випромінювання ; П1– приймач-відбивач (він же вторинний випромінювач В2 зі частотою випромінювання ); _П2 - приймач відбитого сигналу з частотою

Тоді доплерівська частота сигналу на вході приймача

. (6.7)

З виразу (6.6) випливає, що для ефект Доплера не спостерігається, оскільки . Для або спостерігатиметься доплерівський зсув, тобто або відповідно.

6.4.2. Рухоме джерело звуку

Розглянемо тепер випадок, коли приймач П2 нерухомий, а випромінювач В2 рухається зі швидкістю під кутом до приймача П2 (рис. 6.18). Вважатимемо, що випромінювач В2 (це приймач П1, що перетворився на вторинний випромінювач В2) має частоту випромінювання .

Якщо випромінювач В2 рухається, то довжина випромінюваної ним хвилі зміниться. За один період коливання вторинного випромінювача довжина хвилі в просторі випромінювання в напрямку на приймач П2 зміниться на

.

Таким чином, нова довжина хвилі з урахуванням рівнянь (6.7) і (6.6) становить

,

і тоді частота сигналу, що надходить на приймач П2, для рухомого випромінювача стане такою:

(6.8)

де – частота випромінювання рухомого випромінювача В2.