Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула
Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.
Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой. Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.
Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.
Суть эффекта Доплера
Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.
Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.
Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.
Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.
Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:
- Акустический эффект Доплера;
- Оптический эффект Доплера;
- Эффект Доплера для электромагнитных волн;
- Релятивистский эффект Доплера.
Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.
Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера
Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.
Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).
Применение эффекта Доплера
Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.
Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.
Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.
При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.
Формула для эффекта Доплера
Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!
Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с — скорость распространения волн в среде, w0 — частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:
Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.
Релятивистский эффект Доплера
В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:
Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце — еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.
Гид по эффектам: эффект Доплера простыми словами
Рассказываем, почему движущийся источник звука звучит не так, как неподвижный.
ПОДЕЛИЛОСЬ
SAMESOUND в Телеграме
Подписывайтесь на SAMESOUND в Телеграме
Направляющийся к нам звук кажется выше, чем есть на самом деле. В то же время удаляющийся от на сигнал слышится ниже. Такое необычное искажение восприятия звука мы встречаем каждый день. Объясняем, что такое эффект Доплера простыми словами и рассказываем, как он применяется в музыке.
Удивительный эффект: один и тот же звук звучит по-разному для стоящего на месте и бегущего вперёд человека. Представьте, что вы стоите рядом с падающим деревом, а ваш друг бежит к месту падения. Треск дерева будет звучать для вас ниже, чем для длинноного товарища. Причина искажения восприятия звука для двух людей — эффект Доплера, феномен, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером в середине XIX века.
Эффект Доплера вряд ли проявится во время записи в студии, однако мы постоянно сталкиваемся с ним, когда работаем со звуком на сцене клуба или открытой площадки. Перемещение относительно источника звука всегда приводит к искажению сигналов — об этом важно помнить при настройке оборудования.
Что такое эффект Доплера?
Действие эффекта Доплера встречается нам ежедневно. Например, когда мимо нас проезжает сигналящая машина, звук сигнала сначала кажется высоким, а затем становится низким. Когда звук движется в нашу сторону, он кажется выше, чем есть на самом деле. Когда сигнал удаляется от нас, то слух воспринимает его ниже.
Чтобы понять, как работает эффект Доплера, взглянем на синусоидальную звуковую волну:
Расстояние между пиками (вершинами или гребнями) показывает длину звуковой волны. Разделив скорость волны на её длину, мы получим частоту звука — количество времени, проходящего между пиками. Чем выше частота, то есть чем чаще колебания волны и количество изгибов в ней, тем более высокий звуковой сигнал мы слышим.
Представьте сигналящую машину, направляющуюся в вашу сторону. Из-за движения автомобиля каждый следующий пик звуковой волны располагается всё ближе к вам, что создаёт иллюзию очень близкого расположения пиков друг к другу. Как итог, слуху кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — сигнал слышится очень высоким.
Когда автомобиль проезжает мимо, иллюзия запускается в обратную сторону. Отдаление от нас создаёт впечатление увеличения расстояния между пиками. Такое искусственное удлинение звуковой волны обманывает слух, который воспринимает звук значительно ниже.
Вращающийся динамик
В 1930-х годах изобретатель Дональд Лесли, работавший в компании по продаже и ремонту электронных органов Хаммонда, искал способ обогатить звучание инструмента. Лесли считал, что при всех достоинствах электрооргана он проигрывает обычному органу из-за особенностей звучания. Лесли был уверен: орган распространяет звук во все стороны, из-за чего звучит намного живее, объёмнее и интереснее.
Постепенно изобретатель пришёл к идее Rotary Speaker — вращающегося динамика. В один из дней мужчина обнаружил интересный эффект: при вращении динамика на малой скорости создаётся эффект хоруса, при вращении на большой скорости — эффект вибрато. Причиной такого поведения звука стали недочёты в конструкции корпуса и динамиков, но Лесли не стал устранять проблему — получившийся звук слишком нравился изобретателю.
Позднее Лесли обратился напрямую в Hammond и предложил им оснастить электроорганы вращающимся динамиком Лесли. Удивительно, но фирма Лоуренса Хаммонда отклонила предложение, после чего Лесли основал компанию Leslie и начал самостоятельное производство. Вращающиеся динамики Leslie позиционировались как аксессуар для различных электроорганов, расширяющий его звуковые возможности.
Постепенно особенное звучание вращающегося динамика обрело популярность в музыкальной индустрии, а сам эффект стали называть в честь изобретателя — Leslie. При этом, несмотря на открытия Лесли, в основе его открытия лежит всё тот же эффект Доплера: когда динамик отворачивается от нас, нам кажется, что звуковая волна удлиняется, когда динамик поворачивается к нам — мы слышим иллюзию короткой звуковой волны.
Вращающийся вентилятор
В быту эффект Доплера можно встретить, если сесть под вращающийся потолочный вентилятор и начать играть на гитаре или петь. При отражении сигнала от вращающихся лопастей звук начнёт менять высоту.
Попытки настроить инструмент под вентилятором не увенчаются успехом — отражённые и оригинальные звуковые волны столкнутся в пространстве, что исказит восприятие звука. Поэтому настраиваться в жаркий день, стоя под вентилятором, нужно только с помощью тюнера.
Эффект Доплера в музыке
Ряд музыкантов и композиторов использовали эффект Доплера в своём творчестве. Среди ярких примеров — 22-минутная синтезаторная сюита Kraftwerk «Autobahn». На отметке 3:17 в композиции появляется синтезаторный эффект, имитирующий проносящиеся по автобану машины.
Похожий звук немецкие электронщики также использовали в композиции «Trans-Europe Express».
Музыкальный экспериментатор Джони Воид превратил звук сирены скорой помощи в мелодию для своей композиции «Doppler». Эффект также можно встретить в творчестве Джими Хендрикса, The Beatles, Queen и Pink Floyd — эти группы имитировали Доплера с помощью уже упомянутого эффекта вращающегося динамика.
Эффект Доплера
Каким бы он ни был провидцем, даже в самых смелых мечтах Кристиан Доплер не мог представить, какое значение будет иметь его открытие для всего человечества, и какие волны вызовет его работа 1842 года «О цветном свете двойных звезд и некоторых других звезд на небесах «. Ни один физический принцип не изменил наше представление о мире так сильно, как эффект Доплера.
Цитаты об эффекте Доплера.
На симпозиуме 2003 г. в Зальцбурге, посвященном 200-летию со дня рождения Доплера, профессор Антон Цайлингер, президент Австрийской академии наук, объявил эффект Доплера «эффектом тысячелетия».
Альберт Эйнштейн, 1909: «Независимо от того, какую форму примет теория электромагнитных процессов, принцип Доплера обязательно останется».
Но существует также эффект Доплера для электромагнитных волн, таких как свет, который не требует среды для передачи. Он является причиной цветовых сдвигов — в сторону синего цвета, когда излучатель движется к приемнику и волны «сжаты», и в сторону красного цвета, когда излучатель удаляется, и волны становятся «растянутыми» (см. диаграмму)
В случае электромагнетизма этот эффект не зависит от относительного движения между передающей средой и приемником или излучателем, только от относительного перемещения между приемником и излучателем. По этой причине эффект Доплера для световых волн называется релятивистским эффектом Доплера. В случае электромагнитных волн принимаемая частота 
и испускаемая 
определяются соотношением
В этой формуле для релятивистского эффекта Допплера с — скорость света, 299 792 км/с и относительная скорость движения между излучателем и приемником.
Практические применения формулы Доплера
Следующие примеры представляют два специальных случая распространения звуковых волн в воздухе, где частота и скорость переменных движения, описанных выше, включены в формулу.
Ситуация 1: Приемник покоится относительно воздуха, излучатель (источник звуковых волн) движется по направлению к приемнику (-) или от приемника (+).
В этом случае формула Доплера дает:
Для примера: машина (излучатель звуковых волн) движется со скоростью 130 км/час (~36 м/сек) мимо пешехода, стоящего на обочине дороги (приемник звуковых волн). Водитель и пешеход знают друг друга, так что водитель приветствует пешехода длинным гудком сирены. Высота гудка составляет 1 000 Гц. Какую высоту воспринимает пешеход?
По мере приближения автомобиля пешеход слышит частоту
Когда машина удаляется от приемника, высота падает
Таким образом, по мере приближения автомобиля высота увеличивается на 118 Гц, а затем снижается на 96 Гц, когда автомобиль удаляется от пешехода. 1 000 Гц соответствует «высокой до», нота находится на две строки выше типичного пятистрочного нотного стана. В этом примере изменения высоты тона во время приближения автомобиля и при его удалении незначительны и составляют интервал всего лишь один полутон.
Ситуация 2: Излучатель (источник звуковой волны) неподвижен относительно воздуха, а приемник движется к излучателю (+) или от излучателя (-).
в этом случае формула Доплера:
Например: водитель автомобиля теперь приемник и проезжает мимо своего знакомого, стоящего на обочине дороги, со скоростью 130 км / ч (~ 36 м / с). Случайно у пешехода есть клаксон, и он встречает водителя длинным гудком с частотой 1000 Гц.
Приближаясь к пешеходу, водитель слышит ноту с частотой:
Уезжая от пешехода, водитель слышит ноту с частотой:
В этом сценарии изменение высоты звука, воспринимаемое приемником (водителем), когда он приближается и удаляется от своего знакомого с клаксоном, одинаково, то есть увеличивается и уменьшается на 106 Гц.
Причина разницы в изменениях частоты в этих двух сценариях заключается в том, что волнам требуется передающая среда, которой в этих случаях является воздух. В первом сценарии излучатель (источник звуковой волны) движется относительно воздуха, тогда как во втором сценарии движется приемник.
Christian Doppler – Der für die Menschheit bedeutendste Salzburger (Кристиан Доплер — самый важный человек из Зальцбурга), Clemens M. Hutter, Verlag Anton Pustet 2017
© 2024 Фонд Кристиана Доплера При поддержке федеральной земли Зальцбург
- Фонд Кристиана Доплера
- Контакт
- Правовая информация
- Защита данных
ЮгКузовРемонт
Каждый водитель знает, что для отслеживания соблюдения скоростного режима на дорогах полицейские используют радар контроля скорости. Этот прибор очень четко фиксирует все нарушения скоростного режима, что позволяет привлекать профессионалов и автолюбителей к ответственности. влечет за собой штраф. Радар для измерения скорости — это прибор, который использует эффект Доплера для получения данных о скорости автомобиля на расстоянии. Что же такое Эффект Доплера Кратко простыми словами для чайников попробуем объяснить на пальцах.
Эффект Доплера Кто открыл
Кристиан Андреас Доплер , (родился 29 ноября 1803, Зальцбург — умер 17 марта 1853, Венеция) — австрийский математик и физик, профессор, первый директор Института физики Венского университета, почётный доктор Пражского университета, член Королевского научного общества Богемии и Венской академии наук. Наиболее известен своими исследованиями в области акустики и оптики, он первым обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.
Исходя из собственных наблюдений за волнами на воде, Доплер предположил, что подобные явления происходят в воздухе с другими волнами. На основании волновой теории он в 1842 году вывел, что приближение источника света к наблюдателю увеличивает наблюдаемую частоту, отдаление уменьшает её.
Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Это явление впоследствии было названо его именем.
Эффект Доплера Кратко простыми словами для чайников
Эффект Доплера — изменение частоты и, соответственно, длины волны излучения, воспринимаемой наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения относительно наблюдателя (приёмника). Эффект назван в честь австрийского физика Кристиана Доплера.
Причина эффекта Доплера заключается в том, что, когда источник волн движется в направлении наблюдателя, каждый последующий гребень волны выходит из положения, более близкого к наблюдателю, чем гребень предыдущей волны. Таким образом, каждой последующей волне необходимо немного меньше времени, чтобы добраться до наблюдателя, чем предыдущей волне. Следовательно, время между приходом последовательных гребней волн на наблюдателя сокращается, вызывая увеличение частоты.
Эффект Доплера Кратко простыми словами для чайников
В повседневной жизни, эффект Доплера можно заметить когда мимо проезжает сигналящая машина. По началу, звук сигнала кажется высоким, а затем становится низким. Когда звук движется в нашу сторону, он кажется выше. А когда сигнал удаляется, то он становится ниже. Эффект Доплера Кратко простыми словами для чайников рассмотрим на примере звуковой волны.
Что такое Эффект Доплера наглядно на примере
Звуковая волна — это синусоида. Расстояние между пиками (вершинами) синусоиды дает длину звуковой волны. А скорость распространения волны – это расстояние, на которое распространяется волна в единицу времени. Если разделить скорость волны на её длину, то получится частота. Частота звука — количество времени, проходящего между пиками. Чем выше частота, то есть чем чаще колебания волны и количество изгибов в ней, тем более высокий звуковой сигнал мы слышим.
Вернемся к сигналящей машине, которая приближается.
Сигнал автомобиля — это звуковая волна. Из-за движения автомобиля каждый следующий пик звуковой волны располагается всё ближе к вам. Это создаёт иллюзию очень близкого расположения пиков друг к другу. Как итог, слуху кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — сигнал слышится очень высоким.
Когда автомобиль проезжает мимо, иллюзия запускается в обратную сторону.
Отдаление от вас создаёт впечатление увеличения расстояния между пиками. Такое искусственное удлинение звуковой волны обманывает слух, который воспринимает звук значительно ниже.
Применение эффекта Доплера
Эффект Доплера получил применение в астрономии для измерений скоростей движения звёзд, параметров вращения планет и колец Сатурна. Широкое применение открытие Доплера используется в военных радарах и локаторах, а так же в радарах, используемых ГИБДД. Классический полицейский радар испускает радиоволну определённой частоты. Волна отражается от автомобиля и уже с другой частотой улавливается радаром. Для расчетов скорости, он сравнивает часты двух волн: посылаемой и получаемой.