L'effet Doppler se manifeste de plusieurs manières tangibles dans la vie quotidienne. Par exemple, le son d'une sirène de véhicule d'urgence semble modifié lorsqu'il s'approche ou s'éloigne de nous. Lorsque le véhicule s'approche, les ondes sonores sont compressées, augmentant ainsi la fréquence perçue — c'est-à-dire que le son semble plus aigu. Inversement, lorsque le véhicule s'éloigne, les ondes sonores sont étirées, abaissant la fréquence perçue et faisant sonner le son plus grave.
Définition
Effet Doppler
L'effet Doppler est un changement de fréquence ou de longueur d'onde d'une onde pour un observateur qui se déplace par rapport à la source de l'onde.
Fréquence
La fréquence est le nombre de fois qu'un événement périodique se produit par unité de temps. Elle est mesurée en hertz (Hz).
Longueur d'onde
La longueur d'onde est la distance entre deux crêtes successives d'une onde. Elle est généralement représentée par la lettre lambda (λ).
Vitesse de l'onde
Dans le cadre de l'effet Doppler, la vitesse de l'onde est la vitesse à laquelle l'onde se déplace dans le milieu considéré.
Manifestations de l'effet Doppler
Expression du décalage Doppler
Le décalage Doppler dépend de plusieurs variables, notamment la vitesse de la source, la vitesse de l'observateur, et la vitesse de propagation de l'onde. Dans le cas de mouvement rectiligne le long d'une même ligne de visée, l'expression simplifiée est : 𝑓𝑝 = 𝑓0 . (1 + 𝑉 / 𝑐) Où :
- 𝑓𝑝 est la fréquence perçue par l'observateur.
- 𝑓0 est la fréquence émise par la source.
- 𝑉 est la vitesse relative entre la source et l'observateur.
- 𝑐 est la vitesse de l'onde dans le milieu (par exemple, la vitesse du son dans l'air).
Interprétations dans le domaine des ondes sonores et lumineuses
Dans le domaine des ondes sonores, l'effet Doppler est couramment observé et peut être explicité par les variations de fréquence d'un véhicule en mouvement. Pour les ondes lumineuses, l'effet Doppler se traduit par un décalage vers le rouge (redshift) ou vers le bleu (blueshift) des spectres lumineux, dépendant de la direction du déplacement par rapport à l'observateur. Ceci est fondamental en astrophysique pour déterminer la vitesse et la direction des corps célestes par rapport à la Terre.
Pour exploiter différentes expressions données de l’effet Doppler, nous commençons par la formule 𝑓𝑝 = 𝑓0 . (1 + 2.𝑉×cos𝜃/𝑐), où le facteur cos𝜃 établit la direction du mouvement par rapport à l’onde observée. Dans les cas particuliers où l'angle θ est nul, la formule retourne à sa version simple où seule la vitesse relative influe sur le décalage de fréquence perçue.
A retenir :
La variation de fréquence dû à l’effet Doppler peut se mettre sous la forme :
∆𝑓/𝑓𝑟=𝑣/𝑐
On peut donc calculer une vitesse connaissant le décalage en fréquence perçu par le récepteur.
𝑣=𝑐.∆𝑓/𝑓𝑟
Si la source de l’onde se rapproche du récepteur, alors 𝑓𝑟>𝑓𝑒 et ∆𝑓=𝑓𝑟−𝑓𝑒. La fréquence augmente et le son sera plus aigu. Inversement, le son sera plus grave.
Attention, si la source s’éloigne, on aura :
∆𝑓/𝑓𝑟=𝑣/𝑐 𝑎𝑣𝑒𝑐 ∆𝑓=𝑓𝑒−𝑓𝑟 car 𝑓𝑒>𝑓𝑟
