Sciences · Physique
L’effet Doppler
L’effet Doppler est la variation de la fréquence perçue d’une onde lorsque la source et l’observateur se rapprochent ou s’éloignent. La sirène d’une ambulance paraît plus aiguë quand elle arrive, plus grave quand elle s’éloigne.
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Le passage d’une voiture de course ou d’une ambulance produit un son caractéristique : un « iiiii-ouuuu » qui baisse brutalement au moment où le véhicule passe devant nous. La sirène n’a pourtant pas changé de note. C’est notre perception qui change, parce que la source se déplace. Ce phénomène, valable pour toutes les ondes, sert aujourd’hui à mesurer la vitesse des voitures, le flux sanguin et l’expansion de l’Univers.
Pourquoi la fréquence change
Une source sonore immobile émet des fronts d’onde sous forme de sphères concentriques, régulièrement espacées. Si la source avance, elle « rattrape » en partie les ondes qu’elle émet vers l’avant : les fronts d’onde se resserrent devant elle et s’espacent derrière.
- Devant la source, la longueur d’onde est plus courte, la fréquence plus élevée : le son est plus aigu.
- Derrière, la longueur d’onde est plus longue, la fréquence plus basse : le son est plus grave.
Le même effet se produit si c’est l’observateur qui se déplace vers la source ou s’en éloigne : il rencontre les fronts d’onde plus ou moins souvent.
La formule pour le son
Pour une source se déplaçant à la vitesse v_s vers un observateur immobile, dans un milieu où le son se propage à la vitesse c :
f_perçue = f_émise × c / (c − v_s)
Pour une source qui s’éloigne, on remplace − par +.
Une découverte du XIXe siècle
| Date | Événement |
|---|---|
| 1842 | le physicien autrichien Christian Doppler publie l’idée que la couleur des étoiles doubles pourrait dépendre de leur mouvement |
| 1845 | le Néerlandais Christophorus Buys Ballot vérifie l’effet pour le son avec des trompettistes jouant sur un train en marche |
| 1848 | le Français Hippolyte Fizeau décrit l’effet pour la lumière et propose de mesurer le décalage des raies spectrales |
| 1868 | William Huggins mesure le premier décalage Doppler d’une étoile, Sirius |
| 1929 | Edwin Hubble relie le décalage vers le rouge des galaxies à leur distance |
L’idée initiale de Doppler sur la couleur des étoiles était fausse dans le détail : les vitesses des étoiles sont trop faibles devant celle de la lumière pour changer visiblement leur couleur. Le décalage se mesure sur les raies du spectre, comme l’avait compris Fizeau.
L’effet Doppler de la lumière
Pour la lumière, une source qui s’éloigne voit ses raies spectrales décalées vers les grandes longueurs d’onde : c’est le décalage vers le rouge (redshift). Une source qui se rapproche est décalée vers le bleu. Pour des vitesses faibles devant celle de la lumière, le décalage relatif vaut à peu près v / c.
Applications en astronomie :
- Mesurer la vitesse radiale des étoiles : une étoile qui se rapproche ou s’éloigne de nous montre des raies décalées.
- Découvrir des exoplanètes : une planète en orbite fait légèrement osciller son étoile, dont les raies se décalent périodiquement. C’est ainsi que Michel Mayor et Didier Queloz ont découvert en 1995 la première exoplanète autour d’une étoile semblable au Soleil, 51 Pegasi b.
- Étudier la rotation des galaxies, qui a révélé l’existence de la matière noire.
- L’expansion de l’Univers : les galaxies lointaines présentent un décalage vers le rouge proportionnel à leur distance. Ce décalage cosmologique est dû à l’étirement de l’espace lui-même plutôt qu’à un mouvement à travers l’espace, mais il s’interprète de manière analogue (voir expansion de l’Univers).
Applications techniques
| Domaine | Principe |
|---|---|
| Radar routier | une onde radio est réfléchie par le véhicule ; le décalage de fréquence donne sa vitesse |
| Radar météorologique Doppler | mesure le déplacement des gouttes de pluie et la rotation des orages |
| Échographie Doppler | des ultrasons réfléchis par les globules rouges mesurent la vitesse du sang dans les vaisseaux et le cœur |
| Navigation par satellite | le décalage Doppler des signaux sert au positionnement et au suivi des satellites |
| Astronomie | vitesses des étoiles, exoplanètes, cosmologie |
| Chauves-souris et dauphins | perçoivent naturellement le décalage des échos pour suivre leurs proies |
Le mur du son
Si la source se déplace aussi vite que l’onde qu’elle émet, les fronts d’onde s’accumulent devant elle en une seule onde de choc. Au-delà, ils forment un cône, le cône de Mach. Au passage de ce cône, un observateur au sol entend un bang supersonique. Un phénomène analogue existe pour la lumière dans les milieux où elle se propage plus lentement qu’une particule rapide : c’est l'effet Tcherenkov, responsable de la lueur bleue des piscines de réacteurs nucléaires.
Questions fréquentes
Pourquoi le son d’une sirène change-t-il quand elle passe ?
Parce que les ondes sonores sont comprimées devant l’ambulance et étirées derrière elle. On perçoit donc une fréquence plus élevée quand elle approche et plus basse quand elle s’éloigne.
La sirène paraît-elle plus aiguë à mesure qu’elle se rapproche ?
Non. Tant que la vitesse de rapprochement est constante, la fréquence perçue reste constante, simplement plus élevée ; c’est le volume qui augmente. Le changement de hauteur se produit au moment du passage.
Qu’est-ce que le décalage vers le rouge ?
C’est l’effet Doppler appliqué à la lumière d’un objet qui s’éloigne : ses raies spectrales sont décalées vers les grandes longueurs d’onde, du côté rouge du spectre.
Comment un radar mesure-t-il la vitesse d’une voiture ?
Il envoie une onde radio de fréquence connue, qui se réfléchit sur le véhicule. Le décalage de fréquence de l’écho est proportionnel à la vitesse du véhicule.