Doppler-ilmiö kuvaa kuinka aallon taajuus muuttuu, kun lähde tai havainnoija liikkuu suhteessa väliaineeseen. Tästä syystä sireeni kuulostaa korkeammalta ambulanssin lähestyessä ja matalammalla kun se vetäytyy. Doppler-ilmiön ymmärtäminen on välttämätöntä akustiikassa, tutkassa, tähtitiedessä ja lääketieteellisessä ultraäänessä.

Kaava

Ääniaalloille (lähde liikkuu, tarkkailija paikallaan):

Observed Frequency = Source Frequency × (Speed of Sound) / (Speed of Sound ± Source Velocity)

Käytä miinusmerkkiä, jos lähde lähestyy, plus, jos se väistyy.

Valoaallot (relativistinen Doppler):

Observed Frequency = Source Frequency × √((1 - β) / (1 + β))

Missä β = valon nopeus / nopeus.

Toiminut esimerkki

Ambulanssin sireeni lähettää 1000 Hz. Ääni etenee ilmassa 343 m/s. Ambulanssi lähestyy 30 m/s.

Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 - 30)
                   = 1,000 × 343 / 313
                   = 1,000 × 1.096
                   = 1,096 Hz

Lähestyvä sireeni kuulostaa noin 9,6 % korkeammalta. Ohituksen ja väistymisen jälkeen 30 m/s:

Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 + 30)
                   = 1,000 × 343 / 373
                   = 920 Hz

Pudotus 1 096 Hz:stä 920 Hz:iin on dramaattinen – noin 176 Hz:n muutos.

Sovellukset

Tutka ja nopeusaseet: Lähettää radioaaltoja, mitata taajuusmuutoksia heijastuneissa aalloissa ajoneuvon nopeuden laskemiseksi.

Astronomia: Maata kohti liikkuvat tähdet osoittavat sinisiirtoa (korkeampi taajuus). Liikkuvat tähdet osoittavat punaista siirtymää (alempi taajuus). Tämä paljasti, että maailmankaikkeus laajenee.

Ultraäänikuvaus: Doppler-ultraääni mittaa verenvirtausta havaitsemalla liikkuvien punasolujen heijastuneiden aaltojen taajuussiirtymän.

Keskeinen näkemys

Doppler-ilmiö riippuu vain suhteellisesta liikkeestä. Kiinteä tarkkailija ja lähestyvä lähde tuottavat saman vaikutuksen kuin paikallaan oleva lähde ja lähestyvä tarkkailija (vaikka matematiikka eroaa hieman).

Vinkkejä

Käytä ei-relativistisissa nopeuksissa (paljon valoa hitaampaa) äänikaavaa. Käytä kevyille tai erittäin suurille nopeuksille relativistista kaavaa. Vaikutus on selvempi korkeataajuisilla aalloilla ja suurilla nopeuksilla.

Käytä [Doppler-efektilaskuria] (/en/praktinen/fysiikka/doppler-efektilaskennan laskenta) löytääksesi havaitun taajuuden mille tahansa lähteelle ja havainnointinopeudelle.