L’effet Doppler
Quand une source sonore se rapproche, chaque crête d’onde est émise un peu plus près que la précédente : les ondes se resserrent et l’on entend une fréquence plus élevée. Quand elle s’éloigne, les ondes s’étirent et le son devient plus grave. Le même effet se produit si c’est l’observateur qui se déplace.
La formule pour le son
f’ = f × (c + vo) ÷ (c − vs)
- f : fréquence émise par la source
- c : vitesse du son, environ 343 m/s dans l’air à 20 °C
- vo : vitesse de l’observateur vers la source
- vs : vitesse de la source vers l’observateur
Quand ils s’éloignent, on inverse les signes : f’ = f × (c − vo) ÷ (c + vs).
Exemple
La sirène d’une ambulance émet à 700 Hz et passe devant vous à 90 km/h (25 m/s) pendant que vous êtes immobile.
- À l’approche : 700 × 343 ÷ (343 − 25) = 755,0 Hz, environ 7,9 % plus aigu.
- À l’éloignement : 700 × 343 ÷ (343 + 25) = 652,4 Hz.
- Baisse au passage : 12 × log₂(755,0 ÷ 652,4) = 2,5 demi-tons, un changement nettement audible.
Vitesse du son
| Milieu | Vitesse du son |
|---|---|
| Air à 0 °C | 331 m/s |
| Air à 20 °C | 343 m/s |
| Eau | environ 1 480 m/s |
| Acier | environ 5 900 m/s |
Quand une source approche de la vitesse du son, les ondes s’accumulent en une onde de choc : c’est le bang supersonique d’un avion de chasse.
Applications
- Radars routiers : ils mesurent le décalage de fréquence des ondes radio réfléchies par le véhicule.
- Radars météorologiques Doppler : Météo-France les utilise pour mesurer le déplacement des précipitations et repérer la rotation dans les orages.
- Échographie Doppler : elle mesure le flux sanguin dans les artères ou le cœur du fœtus.
- Astronomie : la lumière des galaxies qui s’éloignent est décalée vers le rouge, ce qui a révélé l’expansion de l’Univers. Pour la lumière, on utilise une formule relativiste.
- Chauves-souris et dauphins exploitent l’effet Doppler de leur écholocation pour suivre leurs proies.