เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์อธิบายว่าความถี่ของคลื่นเปลี่ยนแปลงไปอย่างไรเมื่อแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตเคลื่อนที่สัมพันธ์กับตัวกลาง นี่คือเหตุผลว่าทำไมเสียงไซเรนจึงดังขึ้นเมื่อรถพยาบาลเข้ามาใกล้ และจะส่งเสียงต่ำลงเมื่อรถถอยห่างออกไป การทำความเข้าใจปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ถือเป็นสิ่งสำคัญในด้านอะคูสติก เรดาร์ ดาราศาสตร์ และอัลตราซาวนด์ทางการแพทย์
สูตร
สำหรับคลื่นเสียง (แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ ผู้สังเกตการณ์หยุดนิ่ง):
Observed Frequency = Source Frequency × (Speed of Sound) / (Speed of Sound ± Source Velocity)
ใช้เครื่องหมายลบหากแหล่งที่มาเข้าใกล้ บวกหากถอยห่าง
สำหรับคลื่นแสง (ดอปเปลอร์เชิงสัมพันธ์):
Observed Frequency = Source Frequency × √((1 - β) / (1 + β))
โดยที่ β = ความเร็ว / ความเร็วแสง
ตัวอย่างการทำงาน
เสียงไซเรนรถพยาบาลส่งเสียงที่ 1,000 เฮิร์ตซ์ เสียงเดินทางในอากาศด้วยความเร็ว 343 เมตร/วินาที รถพยาบาลเข้าใกล้ด้วยความเร็ว 30 เมตร/วินาที
Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 - 30)
= 1,000 × 343 / 313
= 1,000 × 1.096
= 1,096 Hz
เสียงไซเรนที่เข้ามาใกล้จะดังขึ้นประมาณ 9.6% หลังจากผ่านไปและถอยกลับที่ 30 m/s:
Observed Frequency = 1,000 × 343 / (343 + 30)
= 1,000 × 343 / 373
= 920 Hz
การลดลงจาก 1,096 Hz เป็น 920 Hz นั้นน่าทึ่งมาก - การเปลี่ยนแปลงประมาณ 176 Hz
แอปพลิเคชัน
เรดาร์และปืนจับความเร็ว: ปล่อยคลื่นวิทยุ วัดการเปลี่ยนแปลงความถี่ในคลื่นที่สะท้อนเพื่อคำนวณความเร็วของยานพาหนะ
ดาราศาสตร์: ดาวฤกษ์ที่กำลังเคลื่อนที่เข้าหาโลกแสดงการเปลี่ยนสีน้ำเงิน (ความถี่สูงกว่า) ดวงดาวที่เคลื่อนออกไปจะแสดงการเลื่อนสีแดง (ความถี่ต่ำ) สิ่งนี้เผยให้เห็นว่าจักรวาลกำลังขยายตัว
การถ่ายภาพอัลตราซาวนด์: อัลตราซาวนด์ดอปเปลอร์จะวัดการไหลเวียนของเลือดโดยการตรวจจับการเปลี่ยนความถี่ของคลื่นที่สะท้อนจากการเคลื่อนตัวของเม็ดเลือดแดง
ข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญ
เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่สัมพัทธ์เท่านั้น ผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งและผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเข้าใกล้จะให้ผลเช่นเดียวกับแหล่งกำเนิดที่อยู่กับที่และผู้สังเกตการณ์ที่กำลังเข้าใกล้ (แม้ว่าคณิตศาสตร์จะแตกต่างออกไปเล็กน้อยก็ตาม)
เคล็ดลับ
สำหรับความเร็วที่ไม่สัมพันธ์กัน (ช้ากว่าแสงมาก) ให้ใช้สูตรเสียง สำหรับความเร็วแสงหรือความเร็วสูงมาก ให้ใช้สูตรสัมพัทธภาพ เอฟเฟกต์จะเด่นชัดมากขึ้นสำหรับคลื่นความถี่สูงและความเร็วสูง
ใช้ เครื่องคำนวณเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ เพื่อค้นหาความถี่ที่สังเกตได้สำหรับแหล่งกำเนิดและความเร็วของผู้สังเกตการณ์