🔊 Efekt Dopplera

Efekt Dopplera to zmiana obserwowanej częstotliwości fali, gdy źródło i obserwator poruszają się względem siebie. Gdy źródło się zbliża, jego czoła fal docierają częściej, więc dźwięk brzmi wyżej; gdy się oddala, czoła docierają rzadziej i wysokość dźwięku spada. Znanym przykładem jest przejeżdżająca syrena lub klakson samochodu.

Wykorzystuje wzór Dopplera dla poruszającego się źródła f′ = f₀ · v_dźwięku / (v_dźwięku ∓ v_źródła). Znak minus dotyczy obszaru przed źródłem, podnosząc częstotliwość, a znak plus obszaru za nim, obniżając ją. Na przykład przy f₀ = 440 Hz i prędkości źródła równej 30% prędkości dźwięku obserwator z przodu słyszy około 629 Hz, a obserwator z tyłu około 327 Hz.

Suwak prędkości źródła ustawia, jak szybko porusza się źródło jako procent prędkości dźwięku, od 0% do 95%, co odpowiada również liczbie Macha pokazywanej w odczycie. Suwak częstotliwości ustawia emitowaną częstotliwość f₀ w zakresie od 100 do 1000 Hz, co określa, jak blisko siebie znajdują się czoła fal. Oba suwaki aktualizują wzorzec wizualny oraz wartości f′ w czasie rzeczywistym.

Każde czoło fali rozchodzi się na zewnątrz z prędkością dźwięku od punktu, w którym zostało wyemitowane. Ponieważ źródło wciąż porusza się do przodu między kolejnymi emisjami, każde nowe czoło zaczyna się bliżej poprzedniego, więc odstępy między czołami zmniejszają się w kierunku ruchu. Skompresowana długość fali oznacza krótszy okres, a zatem wyższą odbieraną częstotliwość.

Ustawienia predefiniowane ustawiają suwak prędkości źródła na stałe wartości: Samochód wybiera 30% prędkości dźwięku, Szybko wybiera 80%, a Naddźwiękowo wybiera 95%, czyli tuż poniżej bariery dźwięku. To szybki sposób na porównanie łagodnego przesunięcia dopplerowskiego z dramatyczną kompresją widoczną, gdy źródło zbliża się do liczby Macha 1.

Gdy źródło osiąga lub przekracza prędkość dźwięku (liczba Macha 1), czoła fal nie mogą go już wyprzedzić i spiętrzają się w falę uderzeniową o kształcie stożka. Symulacja rysuje ten stożek Macha z połową kąta arcsin(1/liczba Macha), więc stożek zwęża się wraz ze wzrostem prędkości źródła. W powietrzu ta fala uderzeniowa jest słyszana na ziemi jako grzmot naddźwiękowy.

Oddaje poprawną fizykę jakościowo i wykorzystuje standardowe równanie Dopplera dla poruszającego się źródła, więc zależności częstotliwości oraz geometria stożka Macha są prawidłowe. To uproszczony model dwuwymiarowy: odległości są znormalizowane, a nie podane w metrach, ośrodek jest traktowany jako nieruchomy i jednorodny, a efekty takie jak tłumienie, wiatr czy odbicia zostały pominięte dla przejrzystości.

Nie. Przesunięcie występuje zawsze, gdy istnieje ruch względny między źródłem a obserwatorem. Ta symulacja modeluje poruszające się źródło z nieruchomymi obserwatorami, ale poruszający się obserwator wywołałby podobne przesunięcie, opisane nieco innym wzorem. Gdy oba się poruszają, oba efekty łączą się w pełnym równaniu Dopplera.

Radary policyjne i meteorologiczne odbijają fale od poruszających się obiektów i mierzą przesunięcie częstotliwości, aby ustalić prędkość. Astronomowie wykorzystują przesunięcie ku czerwieni światła z odległych galaktyk do pomiaru prędkości ich oddalania się, co jest kluczowym dowodem na ekspansję wszechświata. Medyczne USG dopplerowskie mierzy przesunięcie od poruszających się krwinek, aby ocenić przepływ krwi.

Gdy pojazd się zbliża, jego czoła fal są skompresowane i słyszymy podwyższony dźwięk. W momencie, gdy pojazd mija nas i zaczyna się oddalać, czoła fal rozciągają się i wysokość dźwięku spada. Zmiana brzmi nagle, ponieważ przesunięcie przełącza się ze wzoru dla przodu na wzór dla tyłu w chwili mijania źródła, mimo że częstotliwość samego źródła nigdy się nie zmienia.