运动变“声”术
图片来源：pixabay
当一辆警车呼啸而过时，你有没有发现当警笛声靠近你的时候会变得越来越刺耳，远离你的时候又变得越来越低沉？
一百多年前，奥地利物理学家多普勒注意到了这个现象，当时的火车进站出站时总伴随着响亮的汽笛声。多普勒发现当火车从远处进站时，声音不仅变大了，还变尖了，出站远离他时，又变小变低。他在1842年将这个奇妙的现象写进了他的物理学专著中。后来人们就把它称为“多普勒效应”。
明明是同一种声音，音调竟然会随着远近发生变化。但是在日常生活中，我们听一个人说话，不管他是站在远处还是近处，音色、音调都是一样的，改变的就只是声音的响度大小。即使是用手机播放鸣笛声，在远处播放和在近处播放也不会出现音调变化。那为什么车辆上的鸣笛声就有这种特别的变化呢？
这并不是因为车辆的鸣笛声特别，它们最重要的区别在于，车子是在跑动的！如果你让朋友拿着播放鸣笛声的手机从远处向你跑过来，再跑向远离你的地方，就会发现音调又有变化了。这是怎么一回事呢？
声音是以声波的形式传递的，声音的音调对应声波的频率。声音的频率指的是单位时间内声源全振动的次数，全振动即完整的一次振动，相当于皮球落地又弹到最高点的过程，每次全振动会发出一个波长的波，包括一个波峰和一个波谷，它们的高度或深度对应着声波的振幅，振幅越大，声音的音量也越大；它们的宽度则对应声波的波长，波长越长，相应的频率越低，声音音调也就越低。
虽然声波的振幅会随着传播距离的增加而变小，就像你朝前拍皮球，皮球会越弹越低，传播声音的振动也会随着能量的损失逐渐减弱，使声音变小。但是，只要是在同一种介质中，声波的波长和速度都不会改变，所以单位时间内能传播的波的个数（决定频率）也是一定的。
理解了这一点之后，再回到多普勒效应，我们就知道虽然移动的声源（比如行驶的火车）发出的声音音调有高低变化，但声波始终是在空气中传播，相对于声源（如火车）来说，它的波长、频率并没有发生变化，改变的只是我们的耳朵接收到的声效。
我们可以把振动的声源，想象成一个不断向外扔皮球的投球手，你是他的队友，站在他对面接球。假设他每秒扔1个球，如果你们俩都站着不动，那么在你接到第一个球之后，每秒钟你都会接到一个球，他投球的频率等于你接球的频率。但如果投球手一边保持扔球的频率，一边向你跑来，那么在同样的时间里你就能接到更多的球，接球频率变高；如果投球手换种玩法，朝远离你的方向后退，那么你在相同时间里接到的球的数量就会变少，接球频率变低。反过来，投手不动，换成接球的你来跑动，结果也是一样的。相同的道理，把一个个皮球换成声波的一个个波，你就能理解为什么会有多普勒效应了，这是因为耳朵在相同时间里接收到的波的数量发生了变化——靠近声音，接收到的波变多，远离声源，接收到的波变少，听到的声音频率也会发生相应地变高或变低。
发现这个现象有什么用呢？多普勒效应可是医生检查身体的好帮手。他们向病人的身体发射人耳听不到的超声波，那些运动中的身体器官组织，比如心脏、血液反射的声波被仪器接收时会有频率的高低变化，这样就可以测出这些器官组织的状态了，血液的速度也能通过这种方法测出了。
不仅是声波，光波也会出现多普勒效应，天文学家们可以利用这种效应来测量恒星相对于我们的运动速度。看来大自然中，有很多规律都是相通的呢。
作者：Mirror
审稿：张轩中（科普作家，中国物理学会会员）
京公网安备11010502039775号
