題:
是否可以使用音樂耳和多普勒效應來估計過往車輛的速度?
M_M
2017-07-16 05:06:24 UTC
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我發現了許多與多普勒效應有關的問題,但似乎都沒有解決我的問題。

我有音樂背景。有音樂耳朵的人通常可以分辨出兩個頻率之間的比率(作為音樂間隔)。對於尚不知道的人,我們認為比率為2:1為八度,3:2為完美的五分,4:3為完美的四分,5:4為主要的三分,6:5為次要的三分

因此,如果車輛以高速行駛,並且我感覺到發動機噪音的頻率下降了四分之一,那麼我知道頻率之比(接近:離開)為4:3。

此信息(僅是頻率的比率)是否足夠,再加上假設的330m / s的聲速,可以計算出車輛通過的速度?我們假設汽車經過的距離很近,因此可以認為它在接近時幾乎直接向我靠近,而在離開時幾乎直接向我靠近。 在這一點上,我們不知道聲音的實際頻率,而只是相對頻率。

有些人(不是我本人)很幸運,可以得到完美的音調,在這種情況下,他們甚至可以估算出準確的頻率。假設為220Hz和165Hz這些額外的信息對確定過往車輛的速度是否有用/需要?

我對35英里和38英里/小時的區別不感興趣。更像是“從它的聲音來看,它必須至少以每小時80英里的速度行駛!”

M_M,您好,歡迎來到物理堆棧交換!有趣的問題,但是在這裡,我們希望人們在詢問之前已經認真嘗試了自己解決問題的方法。您是否進行了任何研究或計算以嘗試自己解決?如果是這樣,那麼如果您編輯問題以反映該問題將很有幫助。
*有些人(不是我自己)很幸運,能擁有完美的音調*“完美音調”,如果這意味著絕對(而不是相對)音調並不是一件真正的好事。擁有它的人往往會發現這很麻煩。
@BenCrowell太糟糕了。如果我去看一場現場音樂會,而他們不得不將這首歌調換下來以適應歌手的衰老聲樂範圍,那就太殘酷了!
邏輯上是:一位前同事是一名值班消防員,有兩聲警笛作為鈴聲。他*跑得足夠快*,以至於我聽不懂音樂的耳朵都能聽到多普勒在接近和後退速度之間的變化。根據Diracology的答案,即使是半音也可以認為是短跑選手的感覺(也請參閱我的評論)。[顯然](http://www.indiana.edu/~emusic/acoustics/pitch.htm)我們可以聽到的頻率差異約為1%,隨絕對音高而變化
您好@DavidZ,非常感謝您的歡迎,並以柔和,友善的方式批評了我的第一篇文章。自從大約半年前我想到這一點以來,我就一直在嘗試自己解決這個問題。沒有物理學背景(或者實際上沒有太多的數學背景),我找不到方程式(我不確定它們是否是微分的)那麼可怕,以至於難以掌握。我試圖以類似於Wikipedia頁面上的動畫的方式可視化腦海中的波浪,但我(錯誤地,我很高興發現)得出的結論是,我需要知道實際的音高,而不僅僅是比率。
@BenCrowell,(和Cort Ammon,儘管我不能在一個帖子中標記多個評論):“幸運”方面主要是基於我的信念,即我需要確定實際(而非相對)頻率,因此這些人會唯一有能力根據他們的感知進行速度估算的人。很高興看到我錯了。旁白:我有一個朋友,他善用絕對音高來為每首“耳聽”歌曲製作鋼琴伴奏。另一個曾經說過[UK Office](https://www.youtube.com/watch?v=9llfUGKW4KI)電視主題的調整隻是勉強接受的另一個原因。
三 答案:
Diracology
2017-07-16 05:44:55 UTC
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讓我們考慮到您正在休息,以$ f_0 $頻率發射的汽車以$ v $的速度接近您。您收到的頻率增加至 $$ f_1 = f_0 \ frac {c} {c-v},$$ 其中$ c $是聲音的速度。當汽車通過時,您的感知頻率降低為 $$ f_2 = f_0 \ frac {c} {c + v}。$$ 比例是 $$ \ frac {f_1} {f_2} = \ frac {c + v} {c-v}。$$ 現在用$ v $求解這個方程, $$ v = \ frac {r-1} {r + 1} c,$$ 其中$ r = f_1 / f_2 $。

編輯

讓我們考慮一些例子。如果比率對應於八度(2:1),$ r = 2 $,則車速為$ c / 3 \約400 \,km / h $,那應該是布加迪威龍。如果您注意到第五(3:2),則$ r = 3/2 $和$ v \ approx 240 \,km / h $,這可能是一輛不錯的跑車。較小的三分之一(6:5),$ r = 6/5 $,相當於$ v \大約110 \,km / h $,甚至可以是公共汽車。對於與半音相對應的頻率差$ r \約1.06 $,速度約為$ 36 \(km / h $),對於音調$ r \約1.12 $,結果為$ v \約70 \,km / h $。在所有示例中,聲音速度均為$ c \大約1240 \,km / h $。

我認為您的答案和@CortAmmon都將從工作示例中受益,該示例顯示出需要多大的速度才能使音高/音高降低。
第一句中的$ u $不應該是$ v $嗎?
@ChrisH我不確定我是否正確地理解了您,但我的回答是應該處理接近和後退的速度,因此您不需要絕對的螺距,只需要螺距比即可。
@Diracology我認為我的評論基於對您帖子的早期版本的誤讀。根據當前版本,我自己的評論對我沒有意義(移動網站上沒有“此帖子已更改”消息可能會解釋這一點)
由於工作示例(感謝@Dan),我將其標記為我接受的答案,這使我更容易獲得答案。這並不是說其他答案都是無效和有趣的。作為一項個人挑戰/學習練習,我可能不得不浪費很多紙和筆尖,試圖計算出三色調,第四和主要第三的速度...
Cort Ammon
2017-07-16 05:34:24 UTC
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您可以進行這樣的估算!事實證明,您不需要完美的音調。為了進行健全性檢查,請想像火車經過您的身後,吹著喇叭。它的號角由形成和弦的三個音符組成(順便說一下,選擇該和弦是因為它很煩人)。現在讓火車經過你。它的和弦仍然相同,只是根音較低。如果您要尋找的多普勒方程式取決於理想音高,則意味著速度變化的影響將對不同音高產生不同的影響。由於您觀察到的和弦相同,因此整體上只是向下移動,這表明您正在尋找的方程式與頻率無關。只是時間間隔很重要!

多普勒頻移的方程為

$$ f = f_0 \ frac {c + v_r} {c + v_s} $$

其中$ f_0 $是發射頻率,$ c $是波速(又稱聲速),$ v_r $是接收器的速度,$ v_s $是源的速度。

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現在,如果您要相對於空氣移動,則需要知道自己的速度。也許您可以通過聽地面上的物體(例如,越過鐵路的鐘聲時聽到它們的叮叮聲)來確定。但是為了簡單起見,讓我們假設我們保持不變。 $ v_r = 0 $。我們可以重新排列以獲得:

$$ v_s = c \ left(\ frac {f_0} {f} -1 \ right)$$

現在,我們還可以查看相反方向的音高,即$ f + \ Delta $,其中$ \ Delta $是它出現在您與您離開時之間的音高差。 $$ -v_s = c \ left(\ frac {f_0} {f + \ Delta} -1 \ right)$$

我們可以將這些等式結合起來得到:

$$ \ frac {f_0} {f} -1 =-\ left(\ frac {f_0} {f + \ Delta} -1 \ right)$$ $$ \ frac {f_0} {f} =-\ frac {f_0} {f + \ Delta} + 2 $$ $$ f_0f + f_0 \ Delta = -f_0f + 2f(f + \ Delta)$$ $$ f_0 = f \ left(1+ \ frac {1} {2 \ frac {f} {\ Delta} +1} \ right)$$

替換為先前的等式:

$$ v_s = c \ left(1+ \ frac {1} {2 \ frac {f} {\ Delta} +1} \ right)$$

現在,與此相關的整潔事情是,如果我正確地進行了數學運算,則速度方程僅取決於$ \ frac {f} {\ Delta} $,這是您僅從間隔中獲取的信息。不需要完美的音調!

我認為您的結論是正確的,但我們傾向於理解的區間是一個比率-對數而非線性差異。因此,您會聽到$ r $,其中$ 1 +(v_s / c)= f_0 / f $和$ 1-(v_s / c)= f_0 /(r \,f)$。所以我得到$ r =(1 + v_s / c)/(1-v_s / c)$和$ v_s = c \,(r-1)/(r + 1)$。當我在路口等車過鐵軌時,靠近我家的火車幾乎總是在全音調下移動($ r = 9/8 $),我認為這意味著$ 30的速度{\ rm m \,s ^ {-1}} $,據我認識的火車司機說,這很不錯。在過去的20年中,我在腦海中多次提出這個問題...
...如果我滑到任何地方,我都會感到非常驚訝。當然,也可以從$ f / \ Delta $計算出$ r $,所以我剛剛意識到,嚴格來說,您的答案是正確的,因此我給了+1!
erfink
2017-07-17 02:26:54 UTC
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雖然未明確給出答案,但與您的問題有著良好的歷史聯繫。實際上,第一個明確說明多普勒效應的公共實驗幾乎就是您所描述的。

1845年,克里斯托弗·巴洛(Christrophe Ballot)將一組小號演奏家放在正在行駛的火車上,另一組小號演奏者則放在車站。事先對每個人進行調音,他讓兩組演奏並保持相同的音調,因為火車經過了車站並觀察了效果。沒有什麼比在科學實驗中使用一群音樂家更好的了!

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