ドップラーシフトについて

質問

超音波ドップラー流速計やADCPで使用されるドップラーシフトはどういったものでしょうか？

回答No.1

starflora · ベストアンサー

こういう分野には詳しくありませんので自信なしとしますが、「ドップラーシフト」とは、波動が、その波の載っている媒体の運動で、波長や振動数がずれる（変位する＝シフトする）ことです。

　　例えば、空気中の音波で考えれば、自動車や電車などが走りつつ接近して来ると、その走行音が、段々高い音（振動数の大きな音）になり、すれ違う瞬間最高になり、それから遠ざかるに連れ、今度は逆に、低い音（振動数が小さな音）へと変わって行きます。これがドップラーシフト＝ドップラー効果で、この場合、別に媒体の空気が運動している訳ではありませんが、音源の電車や自動車が、媒体の空気に対し運動しているので、結果的に、媒体が運動しているのと同じような効果が出るのです。

　　媒体静止で音源が運動する場合、振動数ｎの音を、前進方向に出していると、この運動音源の速度が、前進方向向きで、ｖとすると、音波の速さｓ（温度によって変化するので、定数ではありません）で、１秒後には、音波はｓメートル前方にあり、運動音源はｖメートル前方にあります。ｖ＜ｓの場合、ｓ－ｖ＞０で、この時、この距離のあいだに、ｎ回の振動があることになります。本来、ｓメートルの距離のなかに、均等にｎ個の振動があるはずなのですが、音源が動いているので、ｓ－ｖの距離のなかに、ｎ個の振動があることになり、ｓ／（ｓ－ｖ）の割合で、高い音に変わって聞こえます。これが接近する電車の音などが高くなることの理由です。

　　超音波ドップラー流速計の場合、原理は、流れている水のなかに装置を沈め、超音波を発信し、それを、少し離れたセンサーで感受して、発信した超音波と、受信超音波で、どれぐらい振動数が変化しているか測定し、この変化は、液体媒体の運動によるドップラー効果であるので、振動数の変化から、逆算して、媒体が、どのぐらいの速度で、運動していたか、つまり、「流速」が分かるのです。参考ＵＲＬの装置のように、１８０度の三つに分かれたセンサーで測定すると、流れが、どの方向に流れていたか、つまり、ヴェクトル量としての流れの速度が測定できます。

　　液体中でも、音の速度は、温度や圧力で一定に決まって来ますが、ドップラー効果があるので、液体の運動が加わると、音波が超音波になるのです。

　　原理的には、発信源から、ｓの速度で音波が進んだところ、丁度、音波の進行方向に向き合う方向に液体が流れていた場合、液体の流速をｖとすると、１秒後には、ｓメートル音波は進むのですが、媒体が、音波の進行方向の逆方向にｖメートル進むので、音波は実際には、ｓ－ｖメートルしか進んでいないことになります。仮に、この距離の位置にたまたまセンサーがあると、センサーは或る振動数を記録します。しかし、１秒ｓメートルでｎ回振動しているのが普通の音波で、この場合、ｓ－ｖメートルでｎ回振動しており、ｓ／（ｓ－ｖ）だけ、振動数が高くなっているとも言えます。センサーが記録する振動数は、この値です。これはだから超音波になっています。

　　センサー位置が必ずしも、ｓ－ｖの位置にあるとは限りませんが、センサー位置で、振動数を計り、センサーと発信源との距離（是は、装置で決まっています）を比較すると、液体の運動、つまり、流速が計算できるということです。

参考URL：

http://www.nanotech.co.jp/Products/sontek/adv.html

お礼

ＵＲＬ紹介ありがとうございます。詳しく説明していただき大変助かりました。