คุณคงสังเกตเห็นว่าระดับเสียงของคลื่นเสียงเปลี่ยนไปหากเกิดจากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่ ไม่ว่าจะเข้าใกล้คุณหรือเคลื่อนตัวออกห่างจากคุณ
ตัวอย่างเช่น ลองนึกภาพว่ายืนอยู่บนทางเท้าและได้ยินเสียงไซเรนจากรถฉุกเฉินที่เข้าใกล้และขับผ่านไป ความถี่หรือระดับเสียงของไซเรนเมื่อรถเข้าใกล้ จะสูงขึ้นจนกระทั่งมันเคลื่อนผ่านคุณ ซึ่งจุดนั้นจะลดลง เหตุผลนี้คือสิ่งที่เรียกว่าปรากฏการณ์ดอปเปลอร์
Doppler Effect คืออะไร?
เอฟเฟกต์ Doppler ซึ่งตั้งชื่อตาม Christian Doppler นักคณิตศาสตร์ชาวออสเตรีย คือการเปลี่ยนแปลงความถี่เสียง (หรือความถี่ของคลื่นใดๆ สำหรับ เรื่องนั้น) เกิดขึ้นเพราะแหล่งกำเนิดเปล่งเสียง (หรือผู้สังเกต) เคลื่อนที่ในช่วงเวลาระหว่างการปล่อยคลื่นแต่ละคลื่นที่ต่อเนื่องกัน ด้านหน้า
ส่งผลให้ระยะห่างของยอดคลื่นเพิ่มขึ้นหากมีการเคลื่อนตัวออกไป หรือระยะห่างของยอดคลื่นจะลดลงหากแหล่งกำเนิดเสียงเคลื่อนเข้าหาผู้สังเกต
โปรดทราบว่าความเร็วของเสียงในอากาศจะไม่เปลี่ยนแปลงอันเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวนี้ เฉพาะความยาวคลื่นและด้วยเหตุนี้ความถี่เท่านั้น (จำความยาวคลื่นนั้นได้λ, ความถี่ฉและความเร็วของคลื่นวีมีความเกี่ยวข้องกันผ่านทางวี = λf.)
ใกล้แหล่งเสียง
ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดที่เปล่งเสียงความถี่ฉแหล่งที่มากำลังเคลื่อนเข้าหาผู้สังเกตการณ์นิ่งด้วยความเร็ววีแหล่งที่มา. ถ้าความยาวคลื่นเริ่มต้นของเสียงคือλแหล่งที่มา, ความยาวคลื่นที่ผู้สังเกตตรวจพบควรเป็นความยาวคลื่นดั้งเดิม originalλแหล่งที่มาลบด้วยระยะทางที่แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ในช่วงเวลาที่ใช้ในการปล่อยความยาวคลื่นเต็มหนึ่งช่วง หรือระยะที่แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ในช่วงหนึ่งช่วง หรือ 1/ฉแหล่งที่มาวินาที:
\lambda_{observer} = \lambda_{source} - \frac{v_{source}}{f_{source}}
เขียนใหม่λแหล่งที่มาในแง่ของความเร็วของเสียงวีเสียงและฉแหล่งที่มาคุณได้รับ:
\lambda_{observer} = \frac{v_{sound}}{f_{source}} - \frac{v_{source}}{f_{source}}=\frac{v_{sound} - v_{source}}{ f_{แหล่งที่มา}}
ด้วยความจริงที่ว่าความเร็วคลื่นเป็นผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่ คุณสามารถกำหนดความถี่ที่ผู้สังเกตตรวจพบได้ฉผู้สังเกตการณ์ในแง่ของความเร็วของเสียงวีเสียงความเร็วของแหล่งที่มาและความถี่ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด
f_{ผู้สังเกตการณ์} = \frac{v_{sound}}{\lambda_{source}} = \frac{v_{sound}}{v_{sound} - v_{source}}f_{source}
สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมเสียงจึงดูมีระดับเสียงสูงขึ้น (ความถี่สูงกว่า) เมื่อวัตถุเข้าใกล้คุณ
การลดแหล่งกำเนิดเสียง
ลองนึกภาพแหล่งกำเนิดที่เปล่งเสียงความถี่ฉแหล่งที่มากำลังเคลื่อนออกจากผู้สังเกตด้วยความเร็ว withวีแหล่งที่มา. ถ้าความยาวคลื่นเริ่มต้นของเสียงคือλแหล่งที่มา, ความยาวคลื่นที่ผู้สังเกตตรวจพบควรเป็นความยาวคลื่นดั้งเดิม originalλแหล่งที่มาบวกกับระยะที่แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ในช่วงเวลาที่ใช้ในการปล่อยความยาวคลื่นเต็มหนึ่งช่วง หรือระยะที่แหล่งกำเนิดเคลื่อนที่ในช่วงหนึ่งช่วง หรือ 1/ฉแหล่งที่มาวินาที:
\lambda_{observer} = \lambda_{source} + \frac{v_{source}}{f_{source}}
เขียนใหม่λแหล่งที่มาในแง่ของความเร็วของเสียงวีเสียงและฉแหล่งที่มาคุณได้รับ:
\lambda_{observer} = \frac{v_{sound}}{f_{source}} + \frac{v_{source}}{f_{source}} = \frac{v_{sound} + v_{source}}{ f_{แหล่งที่มา}}
ด้วยความจริงที่ว่าความเร็วคลื่นเป็นผลคูณของความยาวคลื่นและความถี่ คุณสามารถกำหนดความถี่ที่ผู้สังเกตตรวจพบได้ฉผู้สังเกตการณ์ในแง่ของความเร็วของเสียงวีเสียงความเร็วของแหล่งที่มาและความถี่ที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด
f_{observer} = \frac{v_{sound}}{\lambda_{source}} = \frac{v_{sound}}{v_{sound} + v_{source}}f_{source}
สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมเสียงจึงดูมีระดับเสียงต่ำ (ความถี่ต่ำกว่า) เมื่อวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ลดระดับลง
การเคลื่อนไหวสัมพัทธ์
ถ้าทั้งแหล่งกำเนิดและผู้สังเกตกำลังเคลื่อนที่ ความถี่ที่สังเกตได้จะขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพัทธ์ระหว่างแหล่งกำเนิดและผู้สังเกต สมการความถี่ที่สังเกตได้จะกลายเป็น:
f_{observer} = \frac{v_{sound} ± v_{observer}}{v_{sound} ∓ v_{source}}f_{source}
ป้ายด้านบนใช้สำหรับเคลื่อนตัว และป้ายด้านล่างใช้สำหรับเคลื่อนตัวออกจากกัน
โซนิคบูม
เมื่อเครื่องบินเจ็ตความเร็วสูงเข้าใกล้ความเร็วของเสียง คลื่นเสียงที่ด้านหน้าเครื่องบินจะเริ่ม "ซ้อน" เมื่อยอดคลื่นใกล้กันมากขึ้นเรื่อยๆ สิ่งนี้สร้างความต้านทานจำนวนมากมากเมื่อเครื่องบินพยายามเข้าถึงและเกินความเร็วของเสียง
เมื่อเครื่องบินดันผ่านและเกินความเร็วของเสียง คลื่นกระแทกจะถูกสร้างขึ้นและส่งผลให้เกิดคลื่นเสียงที่ดังมาก
ขณะที่เครื่องบินเจ็ตยังคงบินได้เร็วกว่าความเร็วของเสียง เสียงทั้งหมดที่เกี่ยวข้องกับการบินของมันจะล้าหลังเมื่อบินขึ้น
Doppler Shift สำหรับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า
Doppler shift สำหรับคลื่นแสงทำงานในลักษณะเดียวกันมาก กล่าวกันว่าวัตถุที่เข้าใกล้จะแสดงให้เห็นการเลื่อนสีน้ำเงินเนื่องจากแสงของวัตถุจะถูกเลื่อนไปทางปลายสีน้ำเงินของสเปกตรัม em และวัตถุที่ถอยห่างออกไปจะแสดงให้เห็นการเลื่อนสีแดง
คุณสามารถกำหนดสิ่งต่าง ๆ เช่นความเร็วของวัตถุในอวกาศและแม้แต่การขยายตัวของจักรวาลจากเอฟเฟกต์นี้
ตัวอย่างการศึกษา
ตัวอย่างที่ 1:รถตำรวจเข้ามาหาคุณพร้อมกับเสียงไซเรนที่ส่งเสียงดังด้วยความเร็ว 70 ไมล์ต่อชั่วโมง ความถี่ของไซเรนจริงเป็นอย่างไรเมื่อเปรียบเทียบกับความถี่ที่คุณรับรู้ (สมมติว่าความเร็วของเสียงในอากาศเท่ากับ 343 m/s)
ขั้นแรก แปลง 70 ไมล์ต่อชั่วโมงเป็น m/s และรับ 31.3 m/s
ความถี่ที่ผู้สังเกตพบคือ:
f_{observer} = \frac{343\text{ m/s}}{343\text{ m/s} - 31.3\text{ m/s}}f_{source} = 1.1f_{source}
ดังนั้นคุณจึงได้ยินความถี่ที่สูงกว่าความถี่ต้นทาง 1.1 เท่า (หรือสูงกว่า 10 เปอร์เซ็นต์)
ตัวอย่างที่ 2:แสงสีเหลือง 570 นาโนเมตรจากวัตถุในอวกาศจะเปลี่ยนเป็นสีแดง 3 นาโนเมตร วัตถุนี้ถอยเร็วแค่ไหน?
คุณสามารถใช้สมการการเปลี่ยนดอปเปลอร์แบบเดียวกันได้ แต่แทนที่จะใช้วีเสียง, คุณจะใช้ค, ความเร็วแสง เขียนสมการความยาวคลื่นที่สังเกตได้ของแสงใหม่ คุณจะได้:
\lambda_{observer} = \frac{c + v_{source}}{f_{source}}
โดยใช้ความจริงที่ว่าฉแหล่งที่มา = c/ λแหล่งที่มาแล้วแก้ให้วีแหล่งที่มา, คุณได้รับ:
\begin{aligned} &\lambda_{observer} = \frac{c + v_{source}}{c}\lambda_{source}\\ &\implies v_{source} = \frac{\lambda_{observer} - \ lambda_{source}}{\lambda_{source}}c \end{aligned}
สุดท้าย เมื่อเสียบค่า คุณจะได้คำตอบ:
v_{แหล่งที่มา} = \frac{3}{570}3\times 10^8\text{ m/s} = 1.58\times 10^6\text{ m/s}
โปรดทราบว่าสิ่งนี้เร็วมาก (ประมาณ 3.5 ล้านไมล์ต่อชั่วโมง) และแม้ว่าการเปลี่ยนแปลง Doppler จะเรียกว่ากะ "สีแดง" แต่แสงที่เลื่อนนี้จะยังคงปรากฏเป็นสีเหลืองต่อดวงตาของคุณ คำว่า "red shifted" และ "blue shifted" ไม่ได้หมายความว่าแสงกลายเป็นสีแดงหรือสีน้ำเงิน แต่มันเปลี่ยนไปสู่จุดสิ้นสุดของสเปกตรัม
การใช้งาน Doppler Effect อื่นๆ
เอฟเฟกต์ Doppler ถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ ในโลกแห่งความเป็นจริง โดยนักวิทยาศาสตร์ แพทย์ กองทัพ และคนอื่นๆ ทั้งหมด ไม่เพียงเท่านั้น เป็นที่ทราบกันดีว่าสัตว์บางชนิดใช้เอฟเฟกต์นี้เพื่อ "มองเห็น" โดยการกระดอนคลื่นเสียงออกจากวัตถุที่เคลื่อนไหวและฟังการเปลี่ยนแปลงของระดับเสียงสะท้อน
ในทางดาราศาสตร์ เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ใช้เพื่อกำหนดอัตราการหมุนของดาราจักรชนิดก้นหอยและความเร็วที่ดาราจักรกำลังถอยห่างออกไป
ตำรวจใช้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ Doppler กับปืนเรดาร์ตรวจจับความเร็ว นักอุตุนิยมวิทยาใช้เพื่อติดตามพายุ Doppler echocardiograms ที่แพทย์ใช้ใช้คลื่นเสียงเพื่อสร้างภาพหัวใจและกำหนดการไหลเวียนของเลือด ทหารยังใช้เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์เพื่อกำหนดความเร็วของเรือดำน้ำ
