आपने शायद ध्यान दिया होगा कि ध्वनि तरंगों की पिच बदल जाती है यदि यह एक गतिमान स्रोत द्वारा उत्पन्न होती है, चाहे आपके पास आ रही हो या आपसे दूर जा रही हो।
उदाहरण के लिए, कल्पना करें कि फुटपाथ पर खड़े होकर और एक आपातकालीन वाहन के सायरन की आवाज सुनकर और ड्राइव पास्ट करें। जब तक वाहन आपके पास नहीं आता तब तक सायरन की आवृत्ति, या पिच अधिक होती है, जिस बिंदु पर यह कम हो जाता है। इसका कारण डॉपलर प्रभाव नाम की कोई चीज है।
डॉपलर प्रभाव क्या है?
डॉपलर प्रभाव, ऑस्ट्रियाई गणितज्ञ क्रिश्चियन डॉपलर के नाम पर, ध्वनि आवृत्ति (या किसी भी तरंग की आवृत्ति, के लिए) में परिवर्तन है। वह पदार्थ) क्योंकि ध्वनि उत्सर्जित करने वाला स्रोत (या प्रेक्षक) प्रत्येक क्रमिक तरंग के उत्सर्जन के बीच के समय में चलता है सामने।
इसके परिणामस्वरूप तरंग चोटियों की दूरी में वृद्धि होती है यदि यह दूर जा रही है, या यदि ध्वनि स्रोत पर्यवेक्षक की ओर बढ़ रहा है तो तरंग चोटियों की दूरी में कमी आती है।
ध्यान दें कि इस गति के परिणामस्वरूप हवा में ध्वनि की गति नहीं बदलती है। केवल तरंग दैर्ध्य, और इसलिए आवृत्ति, करता है। (याद रखें कि तरंग दैर्ध्यλ, आवृत्तिएफऔर तरंग गतिवीके माध्यम से संबंधित हैंवी = f.)
ध्वनि स्रोत आ रहा है
आवृत्ति की ध्वनि उत्सर्जित करने वाले स्रोत की कल्पना करेंएफस्रोतगति के साथ एक स्थिर पर्यवेक्षक की ओर बढ़ रहा हैवीस्रोत. यदि ध्वनि की प्रारंभिक तरंग दैर्ध्य थीλस्रोत, प्रेक्षक द्वारा ज्ञात तरंगदैर्घ्य मूल तरंगदैर्घ्य होना चाहिएλस्रोतमाइनस एक पूर्ण तरंग दैर्ध्य को उत्सर्जित करने में लगने वाले समय के दौरान स्रोत कितनी दूर चलता है, या यह एक अवधि में कितनी दूर चलता है, या 1/एफस्रोतसेकंड:
\lambda_{ऑब्जर्वर} = \lambda_{source} - \frac{v_{source}}{f_{source}}
पुनर्लेखनλस्रोतध्वनि की गति के संदर्भ में,वीध्वनितथाएफस्रोतआपको मिला:
\lambda_{ऑब्जर्वर} = \frac{v_{sound}}{f_{source}} - \frac{v_{source}}{f_{source}}=\frac{v_{sound} - v_{source}}{ f_{स्रोत}}
इस तथ्य का उपयोग करके कि तरंग गति तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति का उत्पाद है, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि पर्यवेक्षक किस आवृत्ति का पता लगाता है,एफदेखने वाला, ध्वनि की गति के संदर्भ मेंवीध्वनि, स्रोत की गति, और स्रोत द्वारा उत्सर्जित आवृत्ति।
f_{ऑब्जर्वर} = \frac{v_{sound}}{\lambda_{source}} = \frac{v_{sound}}{v_{sound} - v_{source}}f_{source}
यह बताता है कि जब कोई वस्तु आपके पास आती है तो ध्वनि उच्च पिच (उच्च आवृत्ति) क्यों लगती है।
ध्वनि स्रोत घट रहा है
आवृत्ति की ध्वनि उत्सर्जित करने वाले स्रोत की कल्पना करेंएफस्रोतएक पर्यवेक्षक से गति के साथ दूर जा रहा हैवीस्रोत. यदि ध्वनि की प्रारंभिक तरंग दैर्ध्य थीλस्रोत, प्रेक्षक द्वारा ज्ञात तरंगदैर्घ्य मूल तरंगदैर्घ्य होना चाहिएλस्रोतसाथ ही एक पूर्ण तरंग दैर्ध्य को उत्सर्जित करने में लगने वाले समय के दौरान स्रोत कितनी दूर तक चलता है, या यह एक अवधि में कितनी दूर चलता है, या 1/एफस्रोतसेकंड:
\lambda_{ऑब्जर्वर} = \lambda_{source} + \frac{v_{source}}{f_{source}}
पुनर्लेखनλस्रोतध्वनि की गति के संदर्भ में,वीध्वनितथाएफस्रोतआपको मिला:
\lambda_{ऑब्जर्वर} = \frac{v_{sound}}{f_{source}} + \frac{v_{source}}{f_{source}} = \frac{v_{sound} + v_{source}}{ f_{स्रोत}}
इस तथ्य का उपयोग करके कि तरंग गति तरंग दैर्ध्य और आवृत्ति का उत्पाद है, आप यह निर्धारित कर सकते हैं कि पर्यवेक्षक किस आवृत्ति का पता लगाता है,एफदेखने वाला, ध्वनि की गति के संदर्भ मेंवीध्वनि, स्रोत की गति, और स्रोत द्वारा उत्सर्जित आवृत्ति।
f_{ऑब्जर्वर} = \frac{v_{sound}}{\lambda_{source}} = \frac{v_{sound}}{v_{sound} + v_{source}}f_{source}
यह बताता है कि जब कोई चलती हुई वस्तु पीछे हट रही होती है तो ध्वनियों में कम पिच (कम आवृत्ति) क्यों लगती है।
सापेक्षिक गति
यदि स्रोत और प्रेक्षक दोनों गतिमान हैं, तो प्रेक्षित आवृत्ति स्रोत और प्रेक्षक के बीच सापेक्ष वेग पर निर्भर करती है। प्रेक्षित आवृत्ति के लिए समीकरण तब बन जाता है:
f_{ऑब्जर्वर} = \frac{v_{ध्वनि} ± v_{ऑब्जर्वर}}{v_{ध्वनि} ∓ v_{स्रोत}}f_{स्रोत}
ऊपर की ओर बढ़ने के लिए उपयोग किए जा रहे शीर्ष चिह्न, और नीचे जाने के लिए उपयोग किए जा रहे नीचे के चिह्न।
ध्वनि बूम
जैसे ही एक उच्च गति वाला जेट ध्वनि की गति के करीब पहुंचता है, उसके सामने ध्वनि तरंगें "ढेर" होने लगती हैं क्योंकि उनकी लहर की चोटियां एक साथ और करीब हो जाती हैं। यह बहुत बड़ी मात्रा में प्रतिरोध पैदा करता है क्योंकि विमान ध्वनि की गति तक पहुंचने और उससे अधिक करने का प्रयास करता है।
एक बार जब विमान ध्वनि की गति को पार कर जाता है और उससे आगे निकल जाता है, तो एक शॉक वेव बनाई जाती है और बहुत तेज ध्वनि बूम का परिणाम होता है।
जैसे-जैसे जेट ध्वनि की गति से तेज उड़ता रहता है, वैसे-वैसे उसकी उड़ान से जुड़ी सभी ध्वनि उसके पीछे रह जाती है।
विद्युतचुंबकीय तरंगों के लिए डॉप्लर शिफ्ट
प्रकाश तरंगों के लिए डॉप्लर शिफ्ट उसी तरह से काम करता है। कहा जाता है कि निकट आने वाली वस्तुएं नीली शिफ्ट प्रदर्शित करती हैं क्योंकि उनका प्रकाश एम स्पेक्ट्रम के नीले सिरे की ओर स्थानांतरित हो जाएगा, और जो वस्तुएं घट रही हैं उन्हें लाल शिफ्ट प्रदर्शित करने के लिए कहा जाता है।
आप इस प्रभाव से अंतरिक्ष में वस्तुओं के वेग और यहां तक कि ब्रह्मांड के विस्तार जैसी चीजों को निर्धारित कर सकते हैं।
अध्ययन के उदाहरण Examples
उदाहरण 1:एक पुलिस कार 70 मील प्रति घंटे की गति से सायरन बजाते हुए आपके पास आती है। वास्तविक सायरन की आवृत्ति आपके द्वारा अनुभव की जाने वाली आवृत्ति की तुलना कैसे करती है? (मान लें कि हवा में ध्वनि की गति 343 मीटर/सेकेंड है)
सबसे पहले, 70 mph को m/s में बदलें और 31.3 m/s प्राप्त करें।
प्रेक्षक द्वारा अनुभव की गई आवृत्ति तब होती है:
f_{ऑब्जर्वर} = \frac{343\text{m/s}}{343\text{m/s} - 31.3\text{m/s}}f_{source} = 1.1f_{source}
इसलिए आप एक आवृत्ति सुनते हैं जो स्रोत आवृत्ति की तुलना में 1.1 गुना अधिक (या 10 प्रतिशत अधिक) है।
उदाहरण 2:अंतरिक्ष में किसी वस्तु से 570 एनएम पीली रोशनी 3 एनएम से लाल स्थानांतरित हो जाती है। यह वस्तु कितनी तेजी से घट रही है?
यहां आप समान डॉप्लर शिफ्ट समीकरणों का उपयोग कर सकते हैं, लेकिन इसके बजायवीध्वनि, आप उपयोग करेंगेसी, प्रकाश की गति। प्रकाश के लिए प्रेक्षित तरंगदैर्घ्य समीकरण को फिर से लिखने पर, आपको प्राप्त होता है:
\lambda_{ऑब्जर्वर} = \frac{c + v_{source}}{f_{source}}
इस तथ्य का उपयोग करना किएफस्रोत = सी /स्रोत, और फिर हल करने के लिएवीस्रोत, आपको मिला:
\शुरू {गठबंधन} और\lambda_{पर्यवेक्षक} = \frac{c + v_{source}}{c}\lambda_{source}\\ &\ का अर्थ है v_{source} = \frac{\lambda_{observer} - \ लैम्ब्डा_{स्रोत}}{\lambda_{source}}c \end{aligned}
अंत में, मूल्यों में प्लगिंग, आपको उत्तर मिलता है:
v_{स्रोत} = \frac{3}{570}3\गुना 10^8\पाठ{ m/s} = 1.58\बार 10^6\पाठ{ m/s}
ध्यान दें कि यह बहुत तेज़ है (लगभग 3.5 मिलियन मील प्रति घंटा) और भले ही डॉपलर शिफ्ट को "रेड" शिफ्ट कहा जाता है, फिर भी यह शिफ्ट की गई रोशनी आपकी आंखों को पीली दिखाई देगी। "लाल स्थानांतरित" और "नीला स्थानांतरित" शब्द का अर्थ यह नहीं है कि प्रकाश लाल या नीला हो गया है, लेकिन यह केवल स्पेक्ट्रम के उस छोर की ओर स्थानांतरित हो गया है।
डॉपलर प्रभाव के अन्य अनुप्रयोग
डॉपलर प्रभाव का उपयोग वैज्ञानिकों, डॉक्टरों, सेना और अन्य लोगों की पूरी मेजबानी द्वारा कई अलग-अलग वास्तविक दुनिया के अनुप्रयोगों में किया जाता है। इतना ही नहीं, बल्कि कुछ जानवरों को चलती वस्तुओं से ध्वनि तरंगों को उछालकर और प्रतिध्वनि की पिच में बदलाव को सुनकर "देखने" के लिए इस प्रभाव का उपयोग करने के लिए जाना जाता है।
खगोल विज्ञान में, डॉपलर प्रभाव का उपयोग सर्पिल आकाशगंगाओं के घूमने की दर और आकाशगंगाओं के घटने की गति को निर्धारित करने के लिए किया जाता है।
पुलिस स्पीड डिटेक्टिंग राडार गन के साथ डॉपलर इफेक्ट का इस्तेमाल करती है। मौसम विज्ञानी इसका उपयोग तूफानों को ट्रैक करने के लिए करते हैं। डॉक्टरों द्वारा उपयोग किए जाने वाले डॉपलर इकोकार्डियोग्राम हृदय की छवियों का निर्माण करने और रक्त प्रवाह को निर्धारित करने के लिए ध्वनि तरंगों का उपयोग करते हैं। पनडुब्बी की गति निर्धारित करने के लिए सेना भी डॉपलर प्रभाव का उपयोग करती है।