BÁO cáo bài tập lớn môn vật lí 2 đề tài hiệu ứng doppler và ứng dụng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN VẬT LÍ ĐỀ TÀI Hiệu ứng Doppler ứng dụng GVHD Nguyễn Thị Thúy Hằng Nguyễn Thị Minh Hương Lớp: L17_Nhóm: L34 Danh sách thành viên MSSV Dương Gia Khải 2211544 Lương Lý Bá Huy 2211197 Nguyễn Cao Minh Huy 2211207 Trương Gia Huy 2211292 Nguyễn Duy Khang 2211443 TP.HCM, 06/05/2023 MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU LỜI CẢM ƠN I Giới thiệu sơ lược Doppler .5 II Hiệu ứng Doppler .5 Định nghĩa .5 Hiện tượng .6 Phân tích hiệu ứng Doppler III Công thức Hiệu ứng Doppler IV Hiệu ứng Doppler tương đối tính Hiệu ứng Doppler xuyên tâm Hiệu ứng Doppler không xuyên tâm 10 V Ứng dụng hiệu ứng Doppler .10 Ứng dụng siêu âm Doppler màu 10 a Siêu âm Doppler màu gì? 10 b Ưu điểm siêu âm Doppler màu: 10 c Siêu âm Doppler màu chẩn đoán số bệnh thai nhi 11 d Một số loại siêu âm Doppler khác 12 Máy bắn tốc độ 12 a Súng bắn tốc độ dùng sóng radio 12 b Súng bắn tốc độ Laser 12 Doppler thiên văn học 13 a Dịch chuyển Đỏ Dịch chuyển xanh 13 b Công thức .13 Radar Doppler 14 a Radar Doppler quân .14 b Radar thời tiết Doppler 15 c Một số tính khác Radar Doppler 16 Máy đo tốc độ laser 16 LỜI MỞ ĐẦU Vật lý đại cương môn học đại cương có tầm quan trọng sinh viên ĐH Bách Khoa TPHCM nói riêng sinh viên ngành khối khoa học kỹ thuật – công nghệ nói chung Do đó, việc dành cho mơn học khối lượng thời gian định thực hành điều tất yếu để giúp cho sinh viên có sở vững môn Khoa học–Tự nhiên làm tiền đề để học tốt môn khác chương trình đào tạo Năm 1842, nhà vật lý người Áo Christian Andreas Doppler phát mơ tả thay đổi tần số sóng âm mà máy thu thu máy thu nguồn âm có chuyển động tương Hiện tượng đặt tên hiệu ứng Doppler Qua q trình nghiên cứu cho thấy hiệu ứng khơng với sóng âm mà cịn áp dụng cho sóng điện từ ánh sáng Hiệu ứng Doppler ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khoa học công nghệ như: siêu âm Doppler, máy bắn tốc độ xe, công nghệ đo tốc độ chuyển động thiên hà so với Trái đất Ở tập lớn này, nhóm thực nội dung nghiên cứu “Hiệu ứng Doppler ứng dụng” Đây đề tài thú vị âm học, quang học thiên văn học, Nhóm hy vọng báo cáo giúp người có nhìn tổng quan hiệu ứng Doppler ứng dụng thực tiễn mà mang lại Sau nội dung tìm hiểu tập lớn nhóm! LỜI CẢM ƠN Trong suốt trình thực tiểu luận nói trên, nhóm chúng em nhận nhiều quan tâm ủng hộ, giúp đỡ tận tình thầy cơ, anh chị em bè bạn Ngồi ra, nhóm xin gửi lời tri ân chân thành đến cô Nguyễn Thị Minh Hương, giảng viên hướng dẫn cho đề tài Nhờ có hết lịng bảo mà nhóm hồn thành tiểu luận tiến độ giải tốt vướng mắc gặp phải Sự hướng dẫn cô kim nam cho hành động nhóm phát huy tối đa mối quan hệ hỗ trợ thầy trị mơi trường giáo dục Cũng nhân đây, bọn em xin gửi lời cảm ơn tới Nguyễn Thị Thúy Hằng tận tình giảng dạy lý thuyết kĩ để bọn em có tảng vững nhằm giải toán Lời cuối, xin lần gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy cô người dành thời gian dẫn cho nhóm Đây niềm tin, nguồn động lực to lớn để nhóm đạt kết I Giới thiệu sơ lược Doppler Christian Andreas Doppler sinh năm 1803 Salzbourg, gia đình giàu có gồm thợ đẽo đá Tình cờ thay, thể tạng yếu ớt Doppler khiến ông tiếp tục theo nghề nghiệp gia đình sau này, học tiểu học trung học có kết quả, rõ ràng ông giỏi môn khoa học Tốt nghiệp vào năm 21 tuổi, ông trở lại Salzbourg, ông dạy môn học để kiếm sống  Ông trở thành phụ tá cho giáo sư ông vào lúc 28 tuổi, ông viết tài liệu số 51 tài liệu xuất khoa học Vào năm 1843, Doppler giáo sư toán học hình học ứng dụng (practical geometry) Viện kỹ thuật Praha Mặc dù nhà khoa học với trực giác thiên tài toán học, điện học, từ học quang học, Doppler không công nhận đồng nghiệp trước xuất bảng tường trình hiệu ứng mang tên ơng (effet Doppler)-Hiệu ứng Doppler Christian Andreas Doppler II Hiệu ứng Doppler Định nghĩa Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, tìm vào năm 1842, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, tần số bước sóng các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát Nếu khoảng cách đầu thu đầu phát thay đổi khoảng thời gian thu sóng (thời gian sóng truyền đến đầu thu) bước sóng  dài ngắn lại Trường hợp bước sóng  ngắn lại đầu thu phát lại gần dài trường hợp xa nhau Hiện tượng Khi nguồn âm A phát âm tần số f truyền tới máy thu B Nếu nguồn A hay máy thu B chuyển động, hai chuyển động tần số m máy thu B nhận khác với tần số f Sự dịch chuyển tần số gọi hiệu ứng Doppler Để hiểu rõ nguyên nhân tạo hiệu ứng Doppler, thay đổi tần số, ta lấy ví dụ hai người ném bóng Người A ném bóng đến người B khoảng cách định Giả sử vận tốc trái bóng khơng đổi phút người B nhận x số bóng Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B nhận nhiều bóng phút khoảng cách họ bị rút ngắn Vậy số bước sóng bị thay đổi nên gây thay đổi tần số Phân tích hiệu ứng Doppler Để giải thích tượng này, nên bắt đầu số kiến thức về chuyển động sóng Các sóng có nhiều dạng như: gợn sóng mặt hồ, sóng âm thanh, sóng ánh sáng hay địa chấn Hai tính chất thường nhắc đến tất dạng sóng là bước sóng và tần số Bước sóng khoảng cách ngưỡng cao hay thấp dạng sóng, cịn tần số số lần lặp lại ngưỡng tính khoảng thời gian định Đồ thị sóng học Cách thức di chuyển sóng khơng gian chiều hay chiều ta sử dụng thuật ngữ mặt sóng để mơ tả mối liên kết điểm chung sóng. Hình dạng mặt sóng phát từ nguồn phát biểu thị chuỗi “sóng hình” đồng tâm cách Những đứng gần nguồn phát tiếp xúc với mặt sóng với tần số với phát Tuy nhiên nguồn phát sóng di chuyển, hình thái mặt sóng trở nên khác biệt Trong thời gian mặt sóng phát ra, nguồn phát di chuyển nên mặt sóng khơng cịn đồng tâm chúng có xu hướng bị bó hẹp lại phía trước nguồn phát sóng, bị bị cách xa phía sau nguồn phát sóng (tùy theo hướng di chuyển nguồn phát sóng) Người đứng phía trước nguồn phát sóng tiếp nhận tần số sóng ngày cao nguồn phát di chuyển gần họ hơn, người đứng phía sau nguồn phát lại tiếp nhận tần số sóng giảm dần nguồn phát ngày di chuyển xa họ Sóng phát từ nguồn di chuyển từ phải sang trái Điều cho thấy chuyển động nguồn phát có ảnh hưởng đến tần số cảm nhận người quan sát đứng yên Khác biệt tương tự xảy nguồn phát đứng yên người quan sát di chuyển đến gần xa Có thể nói chuyển động tương đối nguồn phát người quan sát tạo ảnh hưởng Doppler lên tần số quan sát III Công thức Hiệu ứng Doppler Trường Hợp 1: Xét trường hợp phương vận tốc nguồn máy thu nằm dọc theo đường nối chúng với môi trường đứng yên Gọi: u vận tốc chuyển động nguồn âm A u’ vận tốc chuyển động máy thu B v vận tốc truyền âm môi trường Ta qui ước rằng: nguồn âm tới gần máy thu u>0, xa máy thu u0, xa nguồn âm u’0, u’>0 ) Vì máy thu tới gần nguồn âm nên coi vận tốc truyền âm v tăng thêm lượng u’ v’=v+u Hai sóng liên tiếp nguồn âm phát cách khoảng thời gian chu kỳ T cách đoạn =vT Tuy nhiên trường hợp này, cụ thể khoảng thời T này, nguồn A chuyển dời đoạn thẳng uT, nên sóng phát sau cách sóng phát trước đoạn ’=-uT Do coi bước sóng âm nguồn âm A phát bị giảm bớt lượng uT trở thành ’ Vậy tính tần số âm mà máy thu nhận trường hợp nguồn âm máy thu tới gặp nhau: v +u ' v' v +u ' v +u ' v +u ' f’= ' = −uT = vT −uT = ( v−u ) T = v−u f Cuối ta có cơng thức tổng qt: ' f =f v ±u ' v ∓u Trong đó: v tốc độ truyền âm mơi trường (m/s) u’ tốc độ máy thu (m/s) u tốc độ nguồn âm (m/s) f tần số âm nguồn phát (Hz) 10000000000 f’ tần số máy thu thu (Hz) Việc chọn dấu theo quy tắc: Nguồn lại gần máy thu, tần số tăng, mẫu số lấy dấu – Nguồn xa máy thu, tần số giảm, mẫu số lấy dấu + Máy thu lại gần nguồn, tần số tăng, tử số lấy dấu + Máy thu xa nguồn, tần số giảm, tử số lấy dấu – Trường hợp 2: Nguồn sóng máy thu khơng chuyển động đường thẳng Qui ước chọn trục Ox có chiều có chiều dương từ nguồn sóng máy thu Công thức: ' f =f v−v M cos ❑2 v−v s cos❑1 Trong đó: v : tốc độ truyền âm mơi trường (m/s) v M : tốc độ máy thu (m/s) v s: tốc độ nguồn sóng (m/s) f: tần số nguồn âm (Hz) f’: tần số máy thu thu (Hz) ❑1: góc hợp hướng vận tốc nguồn sóng so với chiều dương trục x ❑2: góc hợp hướng vận tốc máy thu so với chiều dương trục x IV Hiệu ứng Doppler tương đối tính Hiệu ứng Doppler xuyên tâm Khi nguồn máy thu chuyển động dọc theo đường thẳng nối nguồn máy thu - Nếu nguồn có tần số f chuyển động thẳng lại gần máy thu với vận tốc tương đối v tần số f máy thu đo là: f =f √ 1+v / c 1−v / c - Nếu nguồn có tần số f chuyển động thẳng xa máy thu với vận tốc tương đối v tần số f máy thu đo là: √ f = f 1−v /c 1+v /c Hiệu ứng Doppler không xuyên tâm Khi nguồn có tần số f 0chuyển động với vận tốc ⃗v hợp với đường thẳng hướng từ nguồn đến máy thu góc , tần số f máy thu đo là: f= √ v2 c f 1− v 1− cos c Hiệu ứng Doppler ngang: Nếu chuyển động tương đối nguồn có phương vng góc với đường nối nguồn máy thu tần số f máy thu đo là: √ v f = f 1− c V Ứng dụng hiệu ứng Doppler Hiệu ứng Doppler ứng dụng nhiều lĩnh vực đời sống Sau đây, chúng em xin trình bày số ứng dụng sử dụng hiệu ứng Doppler thường gặp đời sống Ứng dụng siêu âm Doppler màu Siêu âm sử dụng rộng rãi an tồn, dễ thực chi phí thấp Trong kỹ thuật siêu âm, siêu âm Doppler màu đánh giá cao, ứng dụng kiểm tra, chẩn đoán nhiều bệnh lý thể, đặc biệt siêu âm thai nhi a Siêu âm Doppler màu gì? Siêu âm Doppler dùng máy vi tính để chuyển giá trị Doppler thành chuỗi màu sắc để diễn tả tốc độ hướng dòng máu chảy bên mạch máu Siêu âm Doppler đo dòng chuyển động máu mạch máu phận thể khác, giúp bác sĩ chẩn đoán xác tình trạng sức khỏe, bệnh tật bệnh nhân Kỹ thuật vượt trội phương pháp siêu âm truyền thống khả đo lưu lượng máu số phận (siêu âm truyền thống không thực được) b Ưu điểm siêu âm Doppler màu: 10 - Dễ thực nhiều lần với chi phí vừa phải - An tồn, khơng gây đau đớn không gây chảy máu cho người thực - Độ xác cao, giúp bác sĩ dễ dàng chẩn đoán phát bệnh so với kỹ thuật siêu âm khác Đầu dị siêu âm Doppler tuyến tính kiểm tra mạc máu c Siêu âm Doppler màu chẩn đoán số bệnh thai nhi - Kiểm tra chức hoạt động tim, vấn đề tim hở van tim, khuyết van tim,… - Kiểm tra, phát bệnh lý bụng, thận, phình động mạch chủ bụng, - Kiểm tra dòng chuyển động tĩnh mạch thể, phát bệnh nhân bị tắt mạch máu Ngồi siêu âm Doppler màu sử dụng thai nhi tháng cuối thai kỳ- phận thể hình thành thường định người mẹ mắc bệnh xơ gan, chạy thận nhân tạo, thai nhi bị ảnh hưởng kháng thể Rh, 11 Kỹ thuật siêu âm Doppler màu áp dụng cho thai nhi tháng cuối thai kỳ d Một số loại siêu âm Doppler khác Siêu âm Doppler phổ hiển thị thông tin dòng máu dạng đồ thị, với vận tốc hiển thị trục dọc thời gian hiển thị trục ngang Có thể đo đạc cụ thể vận tốc xác định góc Doppler (góc chùm tia siêu âm hướng dòng máu) Việc đo tốc độ xuất phổ dò Doppler mức độ hẹp thắt mạch máu Siêu âm Duplex Doppler kết hợp dạng hiển thị đồ thị siêu âm phổ với hình ảnh siêu âm chế độ B Máy bắn tốc độ a Súng bắn tốc độ dùng sóng radio Súng sử dụng chế Radar hiệu ứng Doppler, phát bước sóng Radio có tần số xác định f thu nhận tần số sóng radio f phản xạ ngược trở lại từ phương tiện giao thông di chuyển với vận tốc u Từ f 0và f 1, ta tính vận tốc phương tiện giao thơng Máy bắn tốc độ dùng sóng radar kiểu cũ b Súng bắn tốc độ Laser Súng bắn tốc độ Laser sử dụng phương pháp Lidar để phát ánh sáng thay đổi phạm vi khoảng cách đo lường Công nghệ sử dụng phương pháp trực tiếp dựa vào thời gian phản xạ ánh sáng dịch chuyển Doppler Súng bắn tốc độ Laser đo thời gian để ánh sáng chiếu tới ô tô Ánh sáng từ súng bắn tốc độ Laser di chuyển nhanh nhiều so với âm thanh( khoảng 300.000.000 mét/giây, khoảng foot (30 cm)/ nano giây Súng bắn tốc độ Laser 12 bắn chùm tia Laser hồng ngoại có bước sóng ngắn sau đợi phản xạ khỏi xe quay trở lại Súng đếm số nano giây cần thiết cho chuyến vòng quanh cách chia cho tính khoảng cách tới tơ Doppler thiên văn học Hiệu ứng Doppler có vị trí quan trọng thiên văn học cho phép khảo sát chuyển động thiên thể, đồng thời cho phép ta xác định quay thiên thể Chuyển động ngơi gần thiên hà xa xơi, chí giãn nở vũ trụ đo lường dựa vào hiệu ứng Doppler Vào đầu kỷ 20 nhà thiên văn Mỹ Hubble nhận thấy phổ thiên hà có lệch phía đỏ, chứng tỏ thiên hà chạy lùi xa nhau: Vũ trụ nở a Dịch chuyển Đỏ Dịch chuyển xanh Khi nguồn sóng di chuyển phía bạn bước sóng giảm chút Nếu sóng ánh sáng nhìn thấy, màu sắc ánh sáng thay đổi giảm chút Khi bước sóng giảm, chúng dịch chuyển phía đầu màu xanh quang phổ: nhà thiên văn gọi là dịch chuyển xanh ( blueshift) Khi nguồn di chuyển xa bạn bước sóng dài hơn, gọi thay đổi màu sắc là dịch chuyển đỏ (redshift) Nhờ vào dịch chuyển đỏ mà người ta phát các thiên hà đang chuyển động xa hay rộng là sự giãn nở vũ trụ "Metagalaxy", xác định chuyển động riêng đối với Trái Đất. Thuyết tương đối rộng đã phán đoán vấn đề chuyển dịch đỏ các quang tử mất giảm năng lượng khi thoát khỏi trường hấp dẫn - truyền sóng vào trường yếu Dịch chuyển xanh dịch chuyển đỏ b Công thức 13 Chuyển động phía gần xa lớn dịch chuyển Doppler lớn Nếu chuyển động tương đối hoàn toàn dọc theo đường nhìn, cơng thức cho dịch chuyển Doppler ánh sáng là:  Δ v = ❑ c Trong đó:  : Bước sóng nguồn phát Δ : hiệu  bước sóng mà người quan sát đo v:  tốc độ tương đối người quan sát nguồn đường ngắm c: tốc độ ánh sáng Nếu tiến lại gần lùi xa chúng ta, bước sóng ánh sáng quang phổ liên tục bị rút ngắn dài tương ứng, bước sóng vạch tối Tuy nhiên, trừ tốc độ hàng chục nghìn km/giây, ngơi khơng xanh đỏ bình thường cách đáng ý Do đó, dịch chuyển Doppler không dễ dàng phát phổ liên tục khơng thể đo xác phổ Tuy nhiên, bước sóng vạch hấp thụ đo xác, dịch chuyển Doppler chúng tương đối đơn giản để phát Radar Doppler Radar Doppler là loại radar sử dụng hiệu ứng Doppler để tạo liệu vận tốc của vật thể xa Nguyên tắc hoạt động nhờ vào phản hồi sóng vi ba trên vật thể muốn đo phân tích chuyển động vật thể dựa thay đổi tín hiệu phản hồi Sự thay đổi tín hiệu cho biết hướng vận tốc vật thể cách tương đối radar Cơng trình radar xung Doppler thể sau: Khi radar phát xung tần số cố định ảnh chụp sản phẩm trường hợp chuyển mục tiêu, tần số tần số tiếng vang khác biệt tần số sóng truyền, gọi Doppler tần số Theo kích thước tần số Doppler mục tiêu đo vận tốc xuyên tâm liên quan đến radar; dựa khác biệt thời gian xung truyền nhận từ mục tiêu đo a Radar Doppler quân Hệ thống điều khiển hỏa lực không sử dụng chủ yếu cho radar xung 14 Doppler Nếu thiết bị APG-68 radar, máy bay chiến đấu Mỹ, thay mặt điều khiển hỏa lực khơng khí xung radar Doppler trình độ tiên tiến Nó có 18 loại cơng việc, vào khơng khí, đất biển theo dõi cạnh bên mục tiêu tìm kiếm, chống nhiễu hiệu suất, máy bay bay độ cao thấp, mà để hướng dẫn máy bay để theo dõi địa hình, để tránh va chạm với mặt đất Radar kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ, độ tin cậy cao Tên lửa đất đối không ứng dụng radar Doppler b Radar thời tiết Doppler Radar thời tiết Doppler loại radar phát triển Theo trang IEEE- viết tắt Institute of Electrical and Electronics Engineers (Viện kỹ sư điện điện tử), radar thời tiết kiểm tra từ cân nhắc để nguồn gốc phát triển đặc tính phản hồi thời tiết hữu ích tỷ lệ tín hiệu tạp âm (SNR), tương quan phạm vi, thống kê tín hiệu,… Họ trình bày dạng phương trình Radar hiển thị rõ ràng suy giảm công suất phản hồi băng thông máy thu hữu hạn liên quan đến chức trọng số phạm vi Các kĩ sư cân nhắc đưa Radar Doppler vào việc quan sát giông bão nghiêm trọng, kỹ thuật radar Doppler đơn kép để đo gió, 15 Trạm Radar thời tiết Doppler c Một số tính khác Radar Doppler - Xử lý tín hiệu lập trình để tăng cơng suất chế biến tín hiệu radar, tốc độ linh hoạt, cải thiện dùng lại thiết bị, đó, radar tìm kiếm theo dõi lúc thay đổi tăng trạng thái làm việc radar - Sử dụng lập trình gated TWT, đó, radar hoạt động tần số xung lặp lại khác nhau, có khả thích ứng dạng sóng, theo chiến thuật khác quốc gia sử dụng thấp, trung bình cao ba dạng sóng tần số xung lặp lại - Sử dụng cơng nghệ để có độ phân giải cao chùm Doppler mài lịng đất ứng dụng cung cấp độ phân giải cao lập đồ độ phân giải cao đồ khuếch đại địa phương, xác định tình trạng kẻ thù thành tạo khơng khí dày đặc phân biệt nhóm đối tượng Máy đo tốc độ laser Laser Doppler velocimetry hay gọi phép đo tốc độ Doppler laser, kỹ thuật sử dụng dịch chuyển Doppler chùm tia laser để đo vận tốc dòng chất lỏng suốt bán suốt chuyển động tuyến tính dao động bề mặt phản xạ, mờ đục Phép đo đo gió Doppler laser tuyệt đối tuyến tính với vận tốc khơng u cầu hiệu chuẩn trước Ứng dụng: 1) Phép đo vận tốc Doppler laser thường chọn thay hình thức đo lưu lượng khác thiết bị nằm ngồi luồng đo khơng ảnh hưởng đến luồng Một số ứng dụng điển hình bao gồm: - Thí nghiệm vận tốc đường hầm gió để kiểm tra khí động học máy bay, tên lửa, tơ, xe tải, xe lửa, tịa nhà cấu trúc khác 16 - Đo vận tốc dòng nước (nghiên cứu thủy động lực học nói chung, thiết kế thân tàu, máy quay, dòng chảy ống, dòng chảy kênh, v.v.) - Nghiên cứu phun phun nhiên liệu cần đo vận tốc bên động qua vòi phun 2) Phép đo vận tốc Doppler laser hữu ích tự động hóa, bao gồm ví dụ dịng chảy Nó sử dụng để đo tốc độ vật thể rắn, băng chuyền Điều hữu ích trường hợp khơng thể khơng thể gắn mã hóa vịng quay (hoặc thiết bị đo tốc độ học khác) vào băng tải Hình ảnh minh họa sử dụng LDV ( Laser Doppler Velocimetry) 3) Phép đo vận tốc Doppler laser sử dụng nghiên cứu huyết động học kỹ thuật để định lượng phần lưu lượng máu mô người da đáy mắt Trong môi trường lâm sàng, công nghệ thường gọi phép đo lưu lượng Doppler laser 4) Công nghệ tránh nguy hiểm hạ cánh tự động sử dụng tàu đổ mặt trăng Dự án Morpheus NASA để tự động tìm nơi hạ cánh an tồn có chứa máy đo vận tốc Doppler nắp đo độ cao vận tốc phương tiện Tên lửa hành trình AGM129 ACM sử dụng máy đo vận tốc doppler laser để dẫn đường xác đầu cuối 17 Cơng nghệ Tránh nguy hiểm lắp đặt cho máy bay trực thăng 5) Phép đo vận tốc Doppler laser sử dụng phân tích độ rung thiết bị MEMS, thường để so sánh hiệu suất thiết bị máy đo gia tốc chip với chế độ rung lý thuyết (được tính tốn) chúng 18