Effet Doppler - Doppler effect

Changement de longueur d' onde causé par le mouvement de la source.
Une animation illustrant comment l'effet Doppler fait qu'un moteur de voiture ou une sirène sonne plus fort lorsqu'il s'approche que lorsqu'il s'éloigne. Les cercles rouges représentent les ondes sonores.

L' effet Doppler ou décalage Doppler (ou simplement Doppler , dans le contexte) est le changement de fréquence d'une onde par rapport à un observateur qui se déplace par rapport à la source d'onde. Il porte le nom du physicien autrichien Christian Doppler , qui a décrit le phénomène en 1842.

Un exemple courant de décalage Doppler est le changement de hauteur entendu lorsqu'un véhicule actionnant un klaxon s'approche et s'éloigne d'un observateur. Par rapport à la fréquence émise, la fréquence reçue est plus élevée lors de l'approche, identique à l'instant du passage, et plus faible lors de la décrue.

La raison de l'effet Doppler est que lorsque la source des vagues se déplace vers l'observateur, chaque crête de vague successive est émise à partir d'une position plus proche de l'observateur que la crête de la vague précédente. Par conséquent, chaque vague met un peu moins de temps pour atteindre l'observateur que la vague précédente. Par conséquent, le temps entre les arrivées de crêtes de vagues successives à l'observateur est réduit, provoquant une augmentation de la fréquence. Pendant qu'ils se déplacent, la distance entre les fronts d'onde successifs est réduite, de sorte que les vagues "se regroupent". Inversement, si la source d'ondes s'éloigne de l'observateur, chaque onde est émise depuis une position plus éloignée de l'observateur que l'onde précédente, donc le temps d'arrivée entre les ondes successives est augmenté, réduisant la fréquence. La distance entre les fronts d'onde successifs est alors augmentée, de sorte que les vagues "s'étalent".

Pour les ondes qui se propagent dans un milieu, comme les ondes sonores , la vitesse de l'observateur et de la source sont relatives au milieu dans lequel les ondes sont transmises. L'effet Doppler total peut donc résulter du mouvement de la source, du mouvement de l'observateur ou du mouvement du milieu. Chacun de ces effets est analysé séparément. Pour les ondes qui ne nécessitent pas de milieu, comme les ondes électromagnétiques ou les ondes gravitationnelles , seule la différence relative de vitesse entre l'observateur et la source doit être prise en compte. Lorsque cette vitesse relative n'est pas négligeable par rapport à la vitesse de la lumière , un effet Doppler relativiste plus compliqué apparaît.

Histoire

Expérience de Buys Ballot (1845) représentée sur un mur à Utrecht (2019)

Doppler a proposé cet effet pour la première fois en 1842 dans son traité « Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels » (Sur la lumière colorée des étoiles binaires et de quelques autres étoiles du ciel). L'hypothèse a été testée pour les ondes sonores par Buys Ballot en 1845. Il a confirmé que la hauteur du son était supérieure à la fréquence émise lorsque la source sonore s'approchait de lui, et inférieure à la fréquence émise lorsque la source sonore s'éloignait de lui. Hippolyte Fizeau a découvert indépendamment le même phénomène sur les ondes électromagnétiques en 1848 (en France, l'effet est parfois appelé "effet Doppler-Fizeau" mais ce nom n'a pas été adopté par le reste du monde car la découverte de Fizeau était six ans après la proposition de Doppler). En Grande-Bretagne, John Scott Russell fit une étude expérimentale de l'effet Doppler (1848).

Général

En physique classique, où les vitesses de la source et du récepteur par rapport au milieu sont inférieures à la vitesse des ondes dans le milieu, la relation entre fréquence observée et fréquence émise est donnée par :

  • est la vitesse de propagation des ondes dans le milieu ;
  • est la vitesse du récepteur par rapport au milieu, additionnée à si le récepteur se rapproche de la source, soustraite si le récepteur s'éloigne de la source ;
  • est la vitesse de la source par rapport au milieu, additionnée si la source s'éloigne du récepteur, soustraite si la source se rapproche du récepteur.

Notez que cette relation prédit que la fréquence diminuera si la source ou le récepteur s'éloigne l'un de l'autre.

De manière équivalente, en supposant que la source s'approche ou s'éloigne directement de l'observateur :

  • est la vitesse de l'onde par rapport au récepteur ;
  • est la vitesse de l'onde par rapport à la source ;
  • est la longueur d'onde.

Si la source s'approche de l'observateur sous un angle (mais toujours avec une vitesse constante), la fréquence observée qui est d'abord entendue est supérieure à la fréquence émise par l'objet. Par la suite, il y a une diminution monotone de la fréquence observée à mesure qu'elle se rapproche de l'observateur, par égalité lorsqu'elle provient d'une direction perpendiculaire au mouvement relatif (et a été émise au point d'approche le plus proche ; mais lorsque l'onde est reçue , la source et l'observateur ne seront plus à leur plus proche), et une diminution monotone continue à mesure qu'elle s'éloigne de l'observateur. Lorsque l'observateur est très proche de la trajectoire de l'objet, le passage de la haute fréquence à la basse fréquence est très brusque. Lorsque l'observateur est loin de la trajectoire de l'objet, le passage de la haute fréquence à la basse fréquence est progressif.

Si les vitesses et sont petites par rapport à la vitesse de l'onde, la relation entre la fréquence observée et la fréquence émise est d'environ

Fréquence observée Changement de fréquence

  • est l'inverse de la vitesse du récepteur par rapport à la source : elle est positive lorsque la source et le récepteur se rapprochent.
Preuve  —

Étant donné

nous divisons pour

Puisque nous pouvons substituer l'expansion géométrique :

Conséquences

Avec un observateur immobile par rapport au milieu, si une source mobile émet des ondes avec une fréquence réelle (dans ce cas, la longueur d'onde est modifiée, la vitesse de transmission de l'onde reste constante ; notez que la vitesse de transmission de l'onde ne dépend pas sur la vitesse de la source ), alors l'observateur détecte des ondes avec une fréquence donnée par

Une analyse similaire pour un observateur en mouvement et une source stationnaire (dans ce cas, la longueur d'onde reste constante, mais en raison du mouvement, la vitesse à laquelle l'observateur reçoit les ondes et donc la vitesse de transmission de l'onde [par rapport à l'observateur] est modifié) donne la fréquence observée :

En supposant un observateur stationnaire et une source se déplaçant à la vitesse du son, l'équation Doppler prédit une fréquence infinie momentanée perçue par un observateur devant une source se déplaçant à la vitesse du son. Tous les pics sont au même endroit, donc la longueur d'onde est nulle et la fréquence est infinie. Cette superposition de toutes les ondes produit une onde de choc qui, pour les ondes sonores, est connue sous le nom de bang sonique .

Lorsque la source se déplace plus vite que la vitesse de l'onde, la source dépasse l'onde. L'équation donne des valeurs de fréquence négatives , qui n'ont aucun sens physique dans ce contexte (aucun son ne sera entendu par l'observateur jusqu'à ce que la source les dépasse).

Lord Rayleigh a prédit l'effet suivant dans son livre classique sur le son : si l'observateur se déplaçait de la source (stationnaire) à deux fois la vitesse du son, une pièce musicale précédemment émise par cette source serait entendue avec un tempo et une hauteur corrects, mais comme si joué à l' envers .

Applications

Profileur de courant Doppler acoustique

Un courant Doppler acoustique profileur (ADCP) est un hydroacoustique de mesure de courant similaire à un sonar , utilisé pour mesurer les courants d' eau des vitesses sur une plage de profondeur en utilisant l'effet Doppler des ondes sonores rétrodiffusée à partir de particules dans la colonne d'eau. Le terme ADCP est un terme générique pour tous les profileurs de courant acoustique, bien que l'abréviation provienne d'une série d'instruments introduite par RD Instruments dans les années 1980. La gamme de fréquences de travail des ADCP s'étend de 38  kHz à plusieurs mégahertz . L'appareil utilisé dans l'air pour le profilage de la vitesse du vent à l'aide du son est connu sous le nom de SODAR et fonctionne avec les mêmes principes sous-jacents.

Robotique

La planification dynamique de trajectoire en temps réel en robotique pour faciliter le mouvement des robots dans un environnement sophistiqué avec des obstacles en mouvement utilise souvent l'effet Doppler. De telles applications sont spécialement utilisées pour la robotique compétitive où l'environnement est en constante évolution, comme le robosoccer.

Sirènes

Sirènes au passage des véhicules d'urgence.

Une sirène sur un véhicule d'urgence qui passe commencera plus haut que son pas stationnaire, glissera vers le bas en passant et continuera plus bas que son pas stationnaire lorsqu'elle s'éloignera de l'observateur. L'astronome John Dobson a expliqué l'effet ainsi :

La raison pour laquelle la sirène glisse est qu'elle ne vous frappe pas.

En d'autres termes, si la sirène s'approchait directement de l'observateur, le pas resterait constant, à un pas plus élevé que stationnaire, jusqu'à ce que le véhicule le heurte, puis sauterait immédiatement à un nouveau pas plus bas. Du fait que le véhicule passe à côté de l'observateur, la vitesse radiale ne reste pas constante, mais varie en fonction de l'angle entre sa ligne de visée et la vitesse de la sirène :

où est l'angle entre la vitesse vers l'avant de l'objet et la ligne de visée de l'objet à l'observateur.

Astronomie

Redshift des raies spectrales dans le spectre optique d'un superamas de galaxies lointaines (à droite), par rapport à celui du Soleil (à gauche)

L' effet Doppler pour les ondes électromagnétiques telles que la lumière est largement utilisé en astronomie pour mesurer la vitesse à laquelle les étoiles et les galaxies s'approchent ou s'éloignent de nous, résultant respectivement en ce que l'on appelle le décalage vers le bleu ou vers le rouge . Cela peut être utilisé pour détecter si une étoile apparemment unique est, en réalité, un binaire proche , pour mesurer la vitesse de rotation des étoiles et des galaxies, ou pour détecter des exoplanètes . Cet effet se produit généralement à très petite échelle; il n'y aurait pas de différence notable dans la lumière visible à l'œil nu. L'utilisation de l'effet Doppler en astronomie dépend de la connaissance des fréquences précises des raies discrètes dans les spectres des étoiles.

Parmi les étoiles proches , les plus grandes vitesses radiales par rapport au Soleil sont de +308 km/s ( BD-15°4041 , également connu sous le nom de LHS 52, à 81,7 années-lumière) et de -260 km/s ( Woolley 9722 , également connu sous le nom de Wolf 1106 et LHS 64, à 78,2 années-lumière). Une vitesse radiale positive signifie que l'étoile s'éloigne du Soleil, négative qu'elle s'en approche.

Redshift est également utilisé pour mesurer l' expansion de l'espace , mais ce n'est pas vraiment un effet Doppler. Au contraire, le décalage vers le rouge dû à l'expansion de l'espace est connu sous le nom de décalage vers le rouge cosmologique , qui peut être dérivé purement de la métrique de Robertson-Walker sous le formalisme de la relativité générale . Ceci dit, il arrive aussi qu'il y ait des effets Doppler détectables à des échelles cosmologiques, qui, s'ils sont mal interprétés comme d'origine cosmologique, conduisent à l'observation de distorsions de redshift-espace .

Radar

Soldat de l'armée américaine utilisant un pistolet radar , une application du radar Doppler, pour attraper les contrevenants aux excès de vitesse.

L'effet Doppler est utilisé dans certains types de radar , pour mesurer la vitesse des objets détectés. Un faisceau radar est tiré sur une cible en mouvement - par exemple une voiture à moteur, car la police utilise le radar pour détecter les automobilistes en excès de vitesse - lorsqu'elle s'approche ou s'éloigne de la source radar. Chaque onde radar successive doit voyager plus loin pour atteindre la voiture, avant d'être réfléchie et redétectée près de la source. Comme chaque vague doit se déplacer plus loin, l'écart entre chaque vague augmente, augmentant la longueur d'onde. Dans certaines situations, le faisceau radar est tiré sur la voiture en mouvement à mesure qu'elle s'approche, auquel cas chaque onde successive parcourt une distance moindre, diminuant la longueur d'onde. Dans les deux cas, les calculs de l'effet Doppler déterminent avec précision la vitesse de la voiture. De plus, la fusée de proximité , développée pendant la Seconde Guerre mondiale, s'appuie sur le radar Doppler pour faire exploser des explosifs au bon moment, à la bonne hauteur, à la bonne distance, etc.

Parce que le décalage Doppler affecte l'onde incidente sur la cible ainsi que l'onde réfléchie vers le radar, le changement de fréquence observé par un radar en raison d'une cible se déplaçant à une vitesse relative est le double de celui de la même cible émettant une onde :

Médical

Échographie en flux couleur (Doppler) d'une artère carotide – scanner et écran

Un échocardiogramme peut, dans certaines limites, produire une évaluation précise de la direction du flux sanguin et de la vitesse du sang et du tissu cardiaque à n'importe quel point arbitraire en utilisant l'effet Doppler. L'une des limitations est que le faisceau d' ultrasons doit être aussi parallèle que possible au flux sanguin. Les mesures de vitesse permettent d'évaluer les zones et la fonction des valves cardiaques, les communications anormales entre les côtés gauche et droit du cœur, les fuites de sang à travers les valves (régurgitation valvulaire) et le calcul du débit cardiaque . Les ultrasons à contraste amélioré utilisant des produits de contraste à microbulles remplis de gaz peuvent être utilisés pour améliorer la vitesse ou d'autres mesures médicales liées au débit.

Bien que « Doppler » soit devenu synonyme de « mesure de vitesse » en imagerie médicale, dans de nombreux cas ce n'est pas le décalage de fréquence (décalage Doppler) du signal reçu qui est mesuré, mais le déphasage ( lorsque le signal reçu arrive).

Les mesures de la vitesse du flux sanguin sont également utilisées dans d'autres domaines de l'échographie médicale , tels que l' échographie obstétricale et la neurologie . La mesure de la vitesse du flux sanguin dans les artères et les veines basée sur l'effet Doppler est un outil efficace pour le diagnostic des problèmes vasculaires comme la sténose .

Mesure de flux

Des instruments tels que le vélocimètre laser Doppler (LDV) et le vélocimètre acoustique Doppler (ADV) ont été développés pour mesurer les vitesses dans un écoulement de fluide. Le LDV émet un faisceau lumineux et l'ADV émet une rafale acoustique ultrasonore et mesure le décalage Doppler dans les longueurs d'onde des réflexions des particules se déplaçant avec le flux. Le débit réel est calculé en fonction de la vitesse et de la phase de l'eau. Cette technique permet des mesures de débit non intrusives, à haute précision et à haute fréquence.

Mesure du profil de vitesse

Développée à l'origine pour les mesures de vitesse dans les applications médicales (débit sanguin), la vélocimétrie Doppler à ultrasons (UDV) peut mesurer en temps réel le profil de vitesse complet dans presque tous les liquides contenant des particules en suspension tels que la poussière, les bulles de gaz, les émulsions. Les écoulements peuvent être pulsatoires, oscillants, laminaires ou turbulents, stationnaires ou transitoires. Cette technique est totalement non invasive.

Satellites

Déplacements Doppler possibles en fonction de l'angle d'élévation ( LEO : altitude orbite = 750 km). Station au sol fixe.
Géométrie pour effets Doppler. Variables : est la vitesse de la station mobile, est la vitesse du satellite, est la vitesse relative du satellite, est l'angle d'élévation du satellite et est la direction de conduite par rapport au satellite.
Effet Doppler sur le canal mobile. Variables : est la fréquence porteuse, est le décalage Doppler maximal dû au déplacement de la station mobile (voir Doppler Spread ) et est le décalage Doppler supplémentaire dû au déplacement du satellite.

Navigation par satellite

Le décalage Doppler peut être exploité pour la navigation par satellite comme dans Transit et DORIS .

Communication par satellite

Le Doppler doit également être compensé dans les communications par satellite . Les satellites rapides peuvent avoir un décalage Doppler de dizaines de kilohertz par rapport à une station au sol. La vitesse, donc l'amplitude de l'effet Doppler, change en raison de la courbure de la terre. La compensation dynamique Doppler, où la fréquence d'un signal est modifiée progressivement pendant la transmission, est utilisée pour que le satellite reçoive un signal à fréquence constante. Après s'être rendu compte que le décalage Doppler n'avait pas été pris en compte avant le lancement de la sonde Huygens de la mission Cassini-Huygens de 2005 , la trajectoire de la sonde a été modifiée pour se rapprocher de Titan de telle sorte que ses transmissions se déplacent perpendiculairement à sa direction de mouvement par rapport à Cassini, réduisant considérablement le décalage Doppler.

Le décalage Doppler du trajet direct peut être estimé par la formule suivante :

où est la vitesse de la station mobile, est la longueur d'onde du porteur, est l'angle d'élévation du satellite et est la direction de conduite par rapport au satellite.

Le décalage Doppler supplémentaire dû au déplacement du satellite peut être décrit comme :

où est la vitesse relative du satellite.

l'audio

Le haut - parleur Leslie , le plus souvent associé et principalement utilisé avec le célèbre orgue Hammond , tire parti de l'effet Doppler en utilisant un moteur électrique pour faire tourner un cornet acoustique autour d'un haut-parleur, envoyant son son dans un cercle. Il en résulte à l'oreille de l'auditeur des fréquences fluctuant rapidement d'une note de clavier.

Mesure des vibrations

Un vibromètre laser Doppler (LDV) est un instrument sans contact pour mesurer les vibrations. Le faisceau laser du LDV est dirigé vers la surface d'intérêt, et l'amplitude et la fréquence de vibration sont extraites du décalage Doppler de la fréquence du faisceau laser dû au mouvement de la surface.

Biologie du développement

Au cours de la segmentation des embryons de vertébrés , des vagues d' expression génique balayent le mésoderme présomitique , le tissu à partir duquel se forment les précurseurs des vertèbres ( somites ). Un nouveau somite se forme à l'arrivée d'une onde à l' extrémité antérieure du mésoderme présomitique. Chez le poisson zèbre , il a été démontré que le raccourcissement du mésoderme présomitique lors de la segmentation entraîne un effet de type Doppler lorsque l'extrémité antérieure du tissu se déplace dans les vagues. Cet effet contribue à la période de segmentation.

Effet Doppler inverse

Depuis 1968, des scientifiques comme Victor Veselago ont spéculé sur la possibilité d'un effet Doppler inverse. La taille du décalage Doppler dépend de l'indice de réfraction du milieu traversé par une onde. Mais certains matériaux sont capables de réfraction négative , ce qui devrait conduire à un décalage Doppler qui fonctionne dans une direction opposée à celle d'un décalage Doppler conventionnel. La première expérience qui a détecté cet effet a été menée par Nigel Seddon et Trevor Bearpark à Bristol , Royaume-Uni en 2003. Plus tard, un effet Doppler inverse a été observé dans certains matériaux non homogènes et prédit à l'intérieur du cône de Vavilov-Cherenkov.

Voir également

Sources primaires

Les références

Lectures complémentaires

  • Doppler, C. (1842). Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels (À propos de la lumière colorée des étoiles binaires et de quelques autres étoiles du ciel) . Editeur : Abhandlungen der Königl. Böhm. Gesellschaft der Wissenschaften (V. Folge, Bd. 2, S. 465–482) [Actes de la Royal Bohemian Society of Sciences (Partie V, Vol 2)] ; Prague : 1842 (réédité en 1903). Certaines sources mentionnent 1843 comme année de publication car cette année-là, l'article a été publié dans les Actes de la Société bohémienne des sciences. Doppler lui-même a qualifié la publication de « Prag 1842 bei Borrosch und André », car en 1842, il a fait imprimer une édition préliminaire qu'il a distribuée indépendamment.
  • "Doppler et l'effet Doppler", EN da C. Andrade, Endeavour Vol. XVIII n° 69, janvier 1959 (publié par ICI Londres). Compte rendu historique de l'article original de Doppler et des développements ultérieurs.
  • David Nolte (2020). La chute et la montée de l'effet Doppler. La physique aujourd'hui, v. 73, p. 31 - 35. DOI : 10.1063/PT.3.4429
  • Adrian, Eleni (24 juin 1995). "Effet Doppler" . NCSA . Archivé de l' original le 12 mai 2009 . Récupéré le 2008-07-13 .

Liens externes