Для чего используют эффект Доплера в медицине

Содержание

Эффект Допплера в медицине

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффект Допплера – это физическое явление, при котором отмечается изменение частоты волны при движении испускающего ее источника относительно фиксирующего устройства. Под «волнами» именно в медицине понимаются звуковые колебания высокой частоты, неслышимые уху – ультразвук.

Что такое эффект Допплера

Звук в неподвижной среде (воздухе и в воде) распространяется с какой-то определенной скоростью. Если же в этой среде будет происходить какое-то движение ее слоев или примесей, свойства ультразвука будут меняться. Для лучшего понимания проведем аналогию с включенной на машине сиреной. Пока машина стоит на месте, мы слышим одинаковый звук.

Если же она поедет, то на каждом маленьком участке пути звуку нужно будет пройти разное расстояние до нас, из-за этого он будет иметь разную высоту.

Так, при направлении движения к вам, пики звука будут достигать уха чаще, сам звук будет ощущаться выше.

Если же машина будет двигаться обратно, пиковые скорости волн будут доходить до уха несколько реже, следовательно, звучать сама сирена будет лично для вас ниже.

В медицине на эффекте Допплера работает ультразвук. Он, попадая на плывущие в артерии или вене эритроциты, будет посылать из каждого участка сосуда отраженный звук разной частоты. Сигнал, преобразуясь, будет давать исследователю информацию о таких параметрах:

  • скорости кровотока
  • анатомии сосуда
  • его деформациях
  • состоянии стенки сосуда
  • характере кровотока: ламинарный, турбулентный
  • наличии тромба или бляшки внутри сосуда
  • степени проходимости сосуда.

С помощью допплера можно исследовать состояние кровотока почти во всех поверхностных и глубоких сосудах. Также эффект используется для осмотра и диагностики состояния сердца. С его помощью делается вывод о том, достаточно ли поступает кислорода к ребенку еще до его рождения (доплер для беременных).

Гипоэхогенное образование – это страшно?

Когда назначается исследование

Показания к допплерометрии отличатся в зависимости от того, какие жалобы предъявляет пациент.

Так, допплерография сосудов головы и шеи проводится при появлении признаков нарушения кровоснабжения мозга (обмороки, головокружения, шаткость походки, изменения слуха, зрения, обоняния).

Ультразвуковое исследование сосудов почек показано при появлении высоких цифр артериального давления, при обнаружении в крови повышенных уровней мочевины и креатинина.

Допплерометрия плода проводится при отягощенном акушерском анамнезе, определении с помощью УЗИ пороков развития, патологии плаценты, матки, околоплодных вод, некоторых хронических заболеваниях беременной женщины.

Как подготовиться к процедуре

Подготовка зависит от того, сосуды какой локализации вам нужно осмотреть с помощью ультразвуковой допплерометрии.

Без каких-либо предварительных манипуляций, но натощак проводятся:

  1. допплер верхних и нижних конечностей
  2. исследование характеристик сосудов щитовидной, молочной желез
  3. допплерография плода
  4. доплер головного мозга
  5. определение характеристик работы сердца.

Исследование артерий и вен, кровоснабжающих органы брюшной полости, органов малого таза, забрюшинного пространства проводится:

  • после соблюдения человеком специальной диеты
  • натощак
  • в некоторых случаях необходимо предварительное наполнение мочевого пузыря.

Методика проведения

Как делают обследование, зависит от локализации изучаемых артерий и вен. Методика проведения не отличается от обычного УЗИ, не приносит боли или дискомфорта, не требует предварительного прокола кожи.

Для этого исследования человеку необходимо освободить от одежды определенный участок тела, лечь или сесть особым образом, о котором ему расскажет медперсонал. Провести анализ характеристик кровотока можно как с помощью абдоминального (поверхностного) датчика, так и при использовании полостных (ректального, вагинального) трансдьюсеров.

Как проводится анализ

Расшифровка данных допплерографии включает:

  1. анализ, то есть оценка звуковых характеристик кровотока в каждой артерии или вене: для каждого из участков сосудов есть своя норма звучания.
  2. Качественную оценку графиков скоростей кровотока. В зависимости от того, какой это сосуд – артерия или вена, периферическая или магистральная, график движения крови по нему будет отличаться пиками, которые имеет свои характеристики.
  3. Количественный анализ, когда характеристики кровотока выражаются в определенных цифрах. В этом случае сравниваются с нормой такие показатели:
    • максимальная скорость кровотока
    • средняя скорость течения крови в сосуде
    • максимальная скорость обратного кровотока
    • пульсационный индекс
    • резистивный индекс
    • отношение систоло-диастолическое
    • время ускорения.

Анэхогенное образование – это норма или патология?

Где пройти процедуру

Вы можете взять направление у врача, который назначил вам данное исследование, на прохождение ее в условиях государственного учреждения. Тогда стоимость процедуры будет гораздо ниже.

Также допплерогорафию любого органа можно пройти в специализированной клинике, которая занимается диагностикой и лечением патологий только определенных систем (например, урологическая или флебологическая клиники). Многопрофильные центры также занимаются проведением практически любого вида допплерографии. Цена в таких центрах выше, зависит от локализации изучаемых сосудов.

Что говорят о процедуре пациенты

Отзывы свидетельствуют, что процедура является очень информативной, но и не лишенной субъективной оценки врача, проводящего исследование. Поэтому расшифровку должен проводить врач-клиницист, который будет учитывать не только цифры, спектральные и графические характеристики кровотока в сосудах, но и симптомы, обнаруженные у пациента.

Таким образом, эффект Допплера широко используется в медицине для оценки характеристик кровотока в сосудах практически любой локализации. Подготовка и проведение исследования не отличается от того, которое применяется при стандартном ультразвуковом обследовании тех же органов.

Поделитесь информацией с друзьями:

ВНИМАНИЕ! Информация на сайте является справочной или популярной, носит лишь ознакомительный характер. Правильное лечение и назначение лекарственных средств может проводиться только квалифицированным специалистом с учетом проведенной диагностики и истории болезни.

Удачной диагностики и лечения, здоровья и прекрасного самочувствия! Ваш uzilab.ru.

29.04.2015 УзиЛаб

Эффект Доплера

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффект Доплера – это изменение частоты и длины волн (оно регистрируется приёмником), порождённое перемещениями, как источника волн, так и приёмника.Причём, движения среды, в коей происходит перемещение волн, не связано с этим перемещением, а волновая скорость зависит от характеристик этой среды. Сам волновой источник уже не может влиять на дальнейшее поведение волн.

Удаляющийся источник будет иметь спектральное смещение в красную сторону, а длина волн его будет увеличиваться.

Основными волновыми характеристиками являются частота и длина волны. Частотой считается количество пиков волн, произошедшее в точке наблюдения за секунду. Длина волны – это расстояние между её «гребнями» или «впадинами». Эти две характеристики связывает скорость, с которой происходит распространение волн в какой-либо среде.

Принцип явления прост: если источник волны и наблюдатель двигаются относительно друг друга, то изменится частота сигнала, воспринимаемая наблюдателем. Она либо увеличивается (приближение источника), либо снижается (удаление источника).

 Это частотное смещение находится в прямой пропорции к скорости источника, перемещающегося по отношению к наблюдателю.

В 1842 году австриец Кристиан Доплер сумел установить и обосновать зависимость частоты колебаний, которую оценивает наблюдатель, от скорости и направления движения источника волн. На этом явлении базируются основные принципы измерений многих параметров космических объектов.

Универсальность закона

Из практических изысканий ясно, что эффект Доплера верен для любого типа волн, в частности, и звуковых. Это легко подтверждается примером движущегося автомобиля с работающей сиреной.

Приближаясь, звук сирены усиливается (уменьшение длины волны), а при удалении её, сила звука сирены будет снижаться (увеличение длины волны). Это же правило работает и для света, и электромагнитного излучения в целом.

 При сближении с наблюдателем светового источника, длина наблюдаемой волны будет становиться короче, и свет будет иметь оттенки спектра в фиолетовых тонах.

Эффект Доплера в астрономии

Открытие Доплера используется при анализе космических объектов. При наблюдении спектра через призму спектрометра, можно увидеть характерные линии химических элементов, находящихся в составе объекта исследования.

Именно на это обратил внимание Хаббл. Заметив в спектре атомного излучения изучаемых им галактик красное доплеровское смещение, он сделал вывод, что эти галактики отдаляются.

Смещение в красную сторону спектра тем больше, чем дальше от нас расположены объекты. 

Таким образом, становится ясно, что эффект Доплера – яркий индикатор расширяющейся Вселенной. Если бы Доплеру был известен закон Хаббла, то он и сам бы смог вычислить расстояния до галактик.

Метод Доплера в обнаружении экзопланет

Иначе этот метод называют спектрометрическим измерением лучевой скорости звёзд. Он получил наибольшее распространение для поиска экзопланет, и эффективность его применения исключительно высока.

Метод Доплера позволяет обнаруживать планеты, имеющие массы в несколько масс Земли, которые располагаются близко к своей звезде.

А также, можно «увидеть» планеты-гиганты, имеющие периоды обращения до 10 лет. Двигаясь вокруг своего светила, планета раскачивает его, что вызывает доплеровское смещение в спектре звезды. С помощью этого метода определяется амплитуда колебаний радиальной скорости между звездой и одиночной планетой.  При помощи метода Доплера к концу 2012 года удалось открыть 488 планет в 379 системах планет.

Использование в других областях

Открытие нашло применение в различных областях:

  • Доплеровский радар. Этот прибор улавливает частотные изменения сигнала, отражаемого от предмета. Изменение этого параметра позволяет измерить скорость объекта. Такие радары позволяют определять скорости автомобилей и летательных аппаратов, судов, течений водных потоков.
  • Измерения скоростей потоков. На эффекте Доплера основан метод измерения скорости потоков жидкостей и газов. Это возможно без прямого помещения датчика в сам поток. Определение скорости происходит путём волнового рассеяния.
  • Применение в медицинских исследованиях. Эффект Доплера в медицине распространён достаточно широко. Особенно удачно проводятся акушерские обследования, помогающие отслеживать ход беременности. Для диагностики характеристик кровотока также используют принцип этого эффекта.
  • Методика, использующая ультразвуковые исследования, основанные на эффекте Доплера, называется доплерографией. Его сутью является то, что движущиеся объекты отражают ультразвуковые волны с изменённой частотой.

Принцип Доплера незаменим, если необходимо определять скорости предметов, например:

  • Детекторы движения в различных системах охран;
  • Навигация на подводных судах;
  • Измерения силы ветровых потоков;
  • Определение скоростей передвижения облаков.

Поразительным фактом является то, что эффект Доплера стабильно работает при гигантских колебаниях частот, но мизерных (мм/сек) скоростях источника.

Эффект Доплера – суть, формула и применение явления

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффект Доплера – явление физики, связанное с изменением основных характеристик волн. К ним относятся длина, обозначающая расстояние между ближайшими точками, и частота, равная числу колебаний за секунду.

Кратко об авторе физического явления

Кристиан Доплер – австрийский физик, астроном и математик. Он занимался исследованиями в области оптики и акустики. Участвовал в создании дальномера, определяющего расстояния до предметов. Прибор ценен в геодезии, используется при фотографировании.

Доплер изучал микроскопы, теорию цветов. Он наблюдал за движением волн на воде и сделал предположение, что подобным закономерностям подчиняются изменения в воздухе. Ученый опирался на теорию, доказывающую, что свет влияет на восприятие цветов.

Свет представляет собой электромагнитную волну, от длины которой зависят видимые человеком тона и оттенки. Это помогло ему сделать открытие о том, что близкое нахождение у источника света приводит к увеличению частоты волны. Соответственно, при отдалении она уменьшается.

Что такое эффект Доплера простыми словами

Эффект Доплера говорит о том, что волновые характеристики изменяются при движении источника их распространения относительно наблюдателя. Или наоборот, когда движется приемник. 

Главное, исключить состояние покоя, он действует только в изменяющейся среде.

Любая волна имеет длину или расстояние между гребнями. При приближении к источнику ее распространения требуется меньше времени, чтобы добраться до наблюдателя. Д

ругими словами, длина ее уменьшается или за секунду пройдет больше пиков. Именно из-за этого увеличивается частота. Она определяется по простой формуле, представляющей собой отношение скорости волны к ее длине.

Если переложить теорию на звук, то удаление от места его распространения приводит к уменьшению его силы, он становится более тихим. Приближение же вызывает увеличение громкости, что также связано с изменением частоты звуковой волны. 

Австрийский ученый связал акустические и оптические явления. Природа волн не меняется. Это утверждение привело к более широкому применению открытого метода.

Эффект Доплера можно объяснить и электромагнитными волнами, разные длины которых заставляют видеть отличные друг от друга цвета:

  • при приближении к источнику спектр смещается к фиолетовому оттенку, который вызывают короткие волны;
  • при нахождении на дальнем расстоянии отчетливо виден красный цвет, отличающийся большей длиной волны.

Можно рассмотреть как пример движение машины с включенным проблесковым маячком. Обычно изменение его цвета не заметно. Хотя автомобиль сначала приближается, а затем удаляется. Но если бы он двигался со скоростью, приближенной к скорости света, то спектр мигающей лампочки при близком нахождении к наблюдателю сместился бы в синюю сторону, а при удалении стал бы красным.

Сейчас существует обратный эффект Доплера, работающий на основе искусственно созданного материала. Это кристалл, обладающий отрицательным коэффициентом преломления и выполняющий роль призмы. Когда свет проходит через него, при уменьшении расстояния он смещается к красному спектру, при отдалении – приближается к синему.

Применение эффекта Доплера

Именно благодаря эффекту Доплера удалось сделать открытие о том, что вселенная расширяется. Это также объясняют разные оттенки, воспринимаемые при изменении длины волны. 

Спектры галактик характеризуются красным цветом, это свидетельствует об удалении. Подобное открытие привело к закону Хаббла, который установил прямую взаимосвязь между красным смещением галактик и расстоянием до них.

Также открытие Доплера помогло обнаружить ряд планет, находящихся за пределами Солнечной системы.

Доплеровские радары измеряют скорости различных объектов. От них отражаются посланные прибором сигналы и по их частоте можно определить, где расположился предмет. Так определяют скорость автомобилей, кораблей, даже следят за облаками в небе и измеряют силу ветра. Значение открытия для радиолокации переоценить невозможно.

Эффект Доплера помогает зафиксировать движение в помещении или около автомобиля, что активно используется для создания охранных сигнализаций. Изменение частоты волн приводит к запуску приборов, задача которых – громкими звуками оповестить о нежелательном вторжении.

Метод, основанный на открытии Доплера, имеет значение и в медицине. Проводятся важные исследования, основанные на сдвиге частоты волн:

  • определяется скорость кровотока, оценивается движение сердечных стенок и клапанов, что необходимо для эхокардиограммы;
  • проводится сканирование сосудов головы, шеи, конечностей, измеряется толщина их стенок, выясняется наличие или отсутствие тромбов;
  • отслеживается ход беременности.

Эффект Доплера, объясняющий зависимость между характеристикой волн и расстоянием до них, нашел широкое применение в жизни. Он позволяет проводить астрологические исследования, облегчает жизнь, обеспечивая людей охранными приборами, и вносит огромный вклад в диагностическую медицину.

Эффект Доплера что это такое? Определение эффекта, примеры и формула расчета

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Что же происходит и в чём причина этого эффекта?

Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:

  • длина волны;
  • период колебаний в волне;
  • частота колебаний в волне;
  • амплитуда;
  • скорость волны.

Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой  где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний.

Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны.

Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.

Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него.

Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него.

Именно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него.

И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.

2. Эксперименты

Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.

Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки.

Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.

Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот.

Суть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда.

Музыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.

Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.

3. Формула и применение

Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны.

Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что  (здесь v — скорость волн в данной среде, ν0 — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью u относительно среды, то  и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:

Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u1, то частота регистрируемых им волн будет равна:

Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:

Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет.

Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается.

То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым.

Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.

4. Релятивистский эффект Доплера

Выше уже было отмечено, что эффект Доплера применим не только к механическим, но и к электромагнитным волнам.

Однако, в случае электромагнитных волн нужно учитывать, что их скорость — есть величина постоянная, не зависящая от направления и скорости движения источника или наблюдателя, и равная с.

В этом случае, формулы, аналогичные тем, что приведены для звуковых волн, следует выводить на основании специальной теории относительности Эйнштейна. Это и будет формула релятивистского эффекта Доплера. Не углубляясь в процедуру её вывода, приведём сразу окончательный результат:

Здесь v — это скорость источника относительно приёмника, а угол а — при удалении источника вдоль прямой равен π, а при приближении источника по прямой равен 0.

5. Методические советы учителям

  1. При описании эффекта Доплера лучшей демонстрацией будет звукозапись сирены или гудка проезжающего автомобиля. Для этого можно одному или нескольким ученикам предварительно дать задание — записать сигнал проезжающего мимо автомобиля или машины скорой помощи на смартфон. С этой звукозаписи и стоит начать урок.
  2. Особое внимание стоит уделить применению эффекта Доплера, а не самим формулам, с ним связанным. Ведь этот эффект используют люди самых разных профессий — сотрудники ДПС, врачи, учёные, метеорологи.
  3. Приводимые здесь формулы можно преобразовать и решить несколько вычислительных примеров практической направленности — рассчитать скорость автомобиля или определить изменение звукового тона по частоте.
  4. Особое внимание следует уделить применению эффекта Доплера в астрономии и космологии, ведь именно из этого эффекта следует вывод о расширяющейся Вселенной, что в итоге привело к созданию современной космологической модели Вселенной.

#ADVERTISING_INSERT#

Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия.

Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой.

Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Эффект Доплера

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав.

Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем.

Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

  • Акустический эффект Доплера;
  • Оптический эффект Доплера;
  • Эффект Доплера для электромагнитных волн;
  • Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов.

В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом.

Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с  – скорость распространения волн в среде, w0 – частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени.

Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника.

Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце – еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

На чем основан эффект Доплера

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффектом Доплера называется изменение длины и частоты волн относительно регистрирующего устройства. Как правило, волны вызваны определенным источником или же самим устройством, регистрирующим их изменение.

В случае, когда источник, создающий волны, осуществляет передвижение относительно среды, то длина волны, правильнее точное расстояние между ее гребнями, напрямую зависит от направления и скорости его передвижения.

Например, когда источник излучаемых волн передвигается к измеряющему устройству, то волны уменьшаются, а если источник удаляется – общая длина волны резко увеличивается.

Большое количество проведенных исследований подтверждает, что сущность эффекта Доплера, который используется в медицинской практике, можно свести к следующему:

  1. Любые ультразвуковые колебания, которые генерируются пьезоэлементами со строго установленной частотой, передвигаются в исследуемом объекте в качестве упругой волны.
  2. Достигая границ между двумя конкретными средами, которые имеют характерное акустическое сопротивление, часть используемой энергии переходит непосредственно во вторую среду, а вторая часть четко отражается от границы, разделяющей обе среды.
  3. Частота колебательных движений, которые отражаются от неподвижных объектов, приравнивается к частоте, которая отмечалась в генерируемом ультразвуковом импульсе. Когда объект осуществляет передвижение с конкретно заданной скоростью в сторону самого источника, издающего ультразвуковые импульсы, вся его отражающая поверхность плотно соприкасается с самим импульсом, в отличие от неподвижного состояния объекта. Вследствие этого точная частота всех отраженных колебательных движений значительно превышает излучаемую частоту генерируемого импульса. И наоборот, в момент движения отражающих объектов, точнее их поверхностей в противоположную сторону от источника излучения, общая частота отражаемых колебаний становится намного меньше импульсов, которые излучает объект.

Разница, которая определяется между частотами у генерируемых объектов и их импульсов, и называется именно доплеровским сдвигом. Сам допплеровский сдвиг обладает конкретными положительными значениями в момент передвижения объекта в сторону источника, излучающего ультразвуковые колебания, и отрицательными значениями, когда источник двигается от него.

Кристиан Доплер сформулировал свою теорию благодаря наблюдению за кругами на воде.

Эффект Доплера характерен абсолютно для любых волн – звуковых, световых и прочих. Организм человека большей частью состоит из воды, поэтому в медицинской практике эффект Доплера чаще всего используется для максимально точного измерения скорости, с которой двигается кровь. Стоит отметить, что в качестве отражающих элементов на момент измерения выступают эритроциты.

Эффект Доплера в медицинской практике

Эффект Доплера повсеместно используется в акушерской практике (доплер для беременных), потому что звуки, излучаемые маткой, очень легко уловить и зарегистрировать.

  • В первом триместре беременности излучаемый звук легко проходит сквозь мочевой пузырь.
  • На больших сроках вынашивания ребенка матка сама служит отличным проводником, так как полностью заполнена жидкостью. Например, точное положение плаценты определяется по улавливаемым звукам, которые создает кровь, протекая через плаценту.
  • Спустя 10 акушерских недель, после завершения формирования плода, можно прослушать его сердцебиение.
  • Благодаря ультразвуковому оборудованию, доктор может с максимальной точностью определить количество зародышей или же констатировать внутриутробную гибель плода.
  • Допплерометрию плода проводят при отягощенном акушерском анамнезе.

В процессе исследования кровотока аппарат фиксирует все полученные данные, отмечая изменения частот ультразвукового сигнала в момент отражения передвигающихся частиц крови, основную массу которой составляют именно эритроциты.

На подобном принципе и обоснована вся диагностика полученных показателей движения крови, абсолютно в любом сосуде человеческого организма. Это важно для своевременной диагностики различных патологий сердечно-сосудистой системы и не только.

Этот метод позволяет своевременно выявить недуг и назначить соответствующее лечение.

Чтобы зарегистрировать эффект Доплера, используется ультразвук, который направлен на исследуемый объект. Достигнув исследуемого объекта, ультразвук отражается от эритроцитов и полностью изменяет свою частоту. Это в конечном результате и позволяет получить всю необходимую информацию о скорости, с которой двигается кровь в обследуемом участке.

Также измеряется не только лишь скорость крови, но и ее направление, точный объем передвигаемой массы и, исходя из всех полученных данных в совокупности, исследуется состояние сосудов.

Определяется наличие закупорки, тромбозов и прочих отклонений, например допплерография сосудов головы и шеи.

Это исследование позволяет сделать полную оценку состояния коллатерального кровообращения.

Трение внутри кровяного потока обусловлено точным распределением скорости жидкости в здоровых сосудах таким образом, что скорость в области пристеночных сосудов равна нулю, а в области оси достигает максимального уровня. Учитывая это и оценив полученные данные, доктор ставит свое заключение о состоянии здоровья того или иного органа.

Ультразвук, который применяется в медицинской практике, можно условно разделить на ультразвук низких и высоких частот.

  • Основной задачей ультразвука низких частот является простая стимуляция и ускорение всех физиологических процессов и реакций в момент проведения лечения на поврежденных участках органа.
  • У ультразвука высоких частот основной целью является возможность вызвать управляемое разрушение некоторых частиц в конкретных тканях.

В первом случае все направление заключено в использовании ультразвука для физиотерапии и при терапевтических процедурах при раке, во втором случае – весь процесс направлен на ультразвуковую хирургию.

Что такое допплерография

Понятие допплерография подразумевает под собой конкретную методику ультразвуковых исследований, которые основаны непосредственно на результатах использования эффекта Доплера. Вся сущность данного эффекта заключается в том, что от всех движущихся объектов излучаемые ультразвуковые волны отражаются уже с измененной частотой.

Данный сдвиг частот полностью пропорционален точной скорости передвижения исследуемой структуры. Когда все движение происходит по направлению к самому датчику, тогда частота увеличивается, а когда в противоположном направлении – уменьшается.

(1 5,00 из 5)
Загрузка…

Электромагнитный эффект Доплера, Доплеровское рассеяние

Для чего используют эффект Доплера в медицине

Эффект Доплера — изменение частоты, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения или движения наблюдателя (приёмника).

Эффект Доплера проявляется в том, что у нас частота сигнала изменяется, при движении, либо источника или приемника, относительно передатчика. На картинке, красная точка это источник сигнала, синие кольца фронт волны. 

Если у нас источник движется к наблюдателю, то фронты волны уплотняются, источник постоянно пытается догнать эти фронты волны. Расстояние между двумя фронтами волны это период колебаний. Если период колебаний уменьшается, частота увеличивается.

Если источник двигается к наблюдателю, то частота увеличивается. Соответственно, если источник удаляется, то наблюдаемая частота уменьшается, период увеличился, расстояние между фронтами волны увеличивается.  

Эффект Доплера применим не только к радиоволнам. Он применим к любым волнам, включая акустические, которые можно наблюдать в повседневной жизни. Автомобиль движется мимо вас с громкой музыкой, сначала он движется к вам, и проезжая мимо вас, двигается от вас и в этот момент времени, наблюдаемая частота будет меньше. 

На картинке выше, выражение с помощью которого можно оценить доплеровский сдвиг частоты. Δf — смещение частоты относительно несущей. f0 — несущая частота. v — скорость в м/с. 

Пример для эффекта Доплера

Например, есть наблюдатель и источник. 

  • В случае, когда угол θ=0 градусов, cosθ=1, это максимальный сдвиг частоты. 
  • Если вектор скорости v2 будет направлен θ=90 градусов, cosθ=0. Тогда эффект Доплера наблюдаться не будет, потому что нет взаимного приближения или удаления. 
  • И если вектор скорости v3 будет направлен в обратную сторону, объект будет удаляться. θ=180 градусов. cosθ=-1. 

Для примера, если у нас скорость 100 км/ч на частоте 100 МГц доплеровский сдвиг частоты составит 9,25 Гц. Сдвиг Доплера пропорционален частоте несущей и скорости. Все по формуле выше. Если мы увеличиваем частоту или скорость, то эффект Доплера будет проявляться сильнее. Представим, что скорость не 100 км/ч, а 1000 км/ч, тогда у нас будет сдвиг 90 Гц. 

Доплеровское расширение спектра

Спектр сигнала определяется не одной спектральной составляющей, а занимает некоторую частотную полосу. Для примера, представили, что спектр состоит из трех спектральных составляющих, с тремя частотами f1, f2, f3. 

Источник сигнала и приемник неподвижны. Когда источник сигнала начинает двигаться, то все три составляющие, неравномерно сместятся вверх или вниз по частоте, а расстояние между ними, частотный интервал, будет меняться. Есть f0 частота несущей, чем больше частота несущей, тем больше проявляется эффект Доплера.

Соответственно, эффект Доплера на частоту f3, так как она выше по частоте, будет больше, чем эффект на частоту f1. Это приводит к том, что когда возникает эффект Доплера, который действует на все частоты по разному, происходит либо растягивание спектра (движение к объекту), либо сжатие спектра (движение от объекта).

Это не просто смещение частоты несущей, это и искажение спектра сигнала. 

Когда эффект Доплера небольшой и ширина спектра небольшая в килогерцах, то мы можем пренебречь эффектом. Но когда ширина спектра измеряется мегагерцами, а скорости больше, то здесь пренебрегать эффектом мы не можем, у нас идет явное искажение сигнала. 

Чем выше частота, тем больше эффект Доплера.

Доплеровское рассеяние

Если у нас есть многолучевое распространение, передатчик излучил, где-то в пространстве было множество объектов, от которых сигнал отразился и на приемник поступают несколько лучей. 

Если отражающая среда двигается, получается, что каждый луч испытывает разный сдвиг частоты. Если мы говорим про короткие волны, ионосфера это облако ионизированного газа, которое, как-то шевелится и из-за того, что к приемнику приходит несколько лучей, каждый луч испытывает разный сдвиг частоты из-за эффекта Доплера, возникает рассеяние. 

Если мы излучили сигнал с одной частотой, то на приемник придет сигнал с рассеянным спектром. 

Это накладывает ограничения, приводит к искажению спектра сигнала. Если будет два сигнала близких по частоте, то в процессе рассеяния, они наползут друг на друга и будет сложно их отличить друг от друга. 

Может быть случай, когда здание неподвижно, передатчик неподвижен, движется приемник. Из-за того, что приемник движется относительно отражающих поверхностей (зданий), расстояние до каждого объекта уменьшается с разной скоростью, получаются разные углы cosθ и скорости. Соответственно, каждый луч будет испытывать сдвиг частоты, будет возникать доплеровский эффект. 

Не важно что двигается, передатчик или приемник, в любом случае возникает эффект Доплера, происходит расширение спектра и доплеровское рассеяние. 

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.