Hiệu ứng Doppler mô tả tần số của sóng thay đổi như thế nào khi nguồn hoặc người quan sát chuyển động so với môi trường. Đây là lý do tại sao còi báo động có âm vực cao hơn khi xe cứu thương đến gần và thấp hơn khi xe cứu thương lùi xa. Hiểu hiệu ứng Doppler là điều cần thiết trong âm học, radar, thiên văn học và siêu âm y tế.

Công thức

Đối với sóng âm (nguồn chuyển động, người quan sát đứng yên):

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

Sử dụng dấu trừ nếu nguồn tiến lại gần, dấu cộng nếu nó rút đi.

Đối với sóng ánh sáng (Doppler tương đối tính):

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

Trong đó β = vận tốc/tốc độ ánh sáng.

Ví dụ đã hoạt động

Tiếng còi xe cứu thương phát ra ở tần số 1.000 Hz. Âm truyền trong không khí với vận tốc 343 m/s. Xe cứu thương tiến tới với vận tốc 30 m/s.

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

Tiếng còi báo động đến gần cao hơn khoảng 9,6%. Sau khi đi qua và lùi lại với vận tốc 30 m/s:

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

Mức giảm từ 1.096 Hz xuống 920 Hz là rất lớn - khoảng 176 Hz.

Ứng dụng

Radar và súng bắn tốc độ: Phát ra sóng vô tuyến, đo sự thay đổi tần số ở sóng phản xạ để tính tốc độ xe.

Thiên văn học: Các ngôi sao di chuyển về phía Trái đất có sự dịch chuyển màu xanh lam (tần số cao hơn). Các ngôi sao di chuyển ra xa sẽ có sự dịch chuyển màu đỏ (tần số thấp hơn). Điều này tiết lộ rằng vũ trụ đang giãn nở.

Chụp ảnh siêu âm: Siêu âm Doppler đo lưu lượng máu bằng cách phát hiện sự thay đổi tần số của sóng phản xạ từ các tế bào hồng cầu đang di chuyển.

Thông tin chi tiết quan trọng

Hiệu ứng Doppler chỉ phụ thuộc vào chuyển động tương đối. Một người quan sát đứng yên và một nguồn đang đến gần tạo ra hiệu ứng tương tự như một nguồn đứng yên và một người quan sát đang đến gần (mặc dù phép toán có hơi khác một chút).

Mẹo

Đối với tốc độ phi tương đối (chậm hơn nhiều so với ánh sáng), hãy sử dụng công thức âm thanh. Đối với tốc độ nhẹ hoặc rất cao, hãy sử dụng công thức tương đối tính. Hiệu ứng này rõ rệt hơn đối với sóng tần số cao và vận tốc cao.

Sử dụng Máy ​​tính hiệu ứng Doppler của chúng tôi để tìm tần số quan sát được cho mọi nguồn và vận tốc của người quan sát.