Size yaklaşan veya sizden uzaklaşan hareket eden bir kaynak tarafından üretilirse ses dalgalarının perdesinin değiştiğini muhtemelen fark etmişsinizdir.
Örneğin, kaldırımda durduğunuzu ve bir acil durum aracının sirenlerini duyduğunu ve yanından geçtiğini hayal edin. Araç yaklaşırken sirenin frekansı veya perdesi, sizi geçene kadar daha yüksektir, bu noktada daha da düşer. Bunun nedeni Doppler etkisi denen bir şeydir.
Doppler Etkisi Nedir?
Adını Avusturyalı matematikçi Christian Doppler'den alan Doppler etkisi, ses frekansındaki (veya herhangi bir dalganın frekansındaki değişikliktir. Sesi yayan kaynağın (veya gözlemcinin) birbirini izleyen her bir dalganın emisyonu arasındaki sürede hareket etmesinden kaynaklanır. ön.
Bu, uzaklaşıyorsa dalga tepelerinin aralığında bir artışa veya bir ses kaynağı gözlemciye doğru hareket ediyorsa dalga tepelerinin aralığında bir azalmaya neden olur.
Bu hareket sonucunda sesin havadaki hızının değişmediğini unutmayın. Sadece dalga boyu ve dolayısıyla frekans yapar. (Bu dalga boyunu hatırlayınλ, Sıklıkfve dalga hızıvaracılığıyla ilişkilidirv = λf.)
Ses Kaynağına Yaklaşma
Frekans sesi yayan bir kaynak hayal edinfkaynakhızla sabit bir gözlemciye doğru hareket ediyorvkaynak. Sesin ilk dalga boyu iseλkaynak, gözlemci tarafından tespit edilen dalga boyu orijinal dalga boyu olmalıdırλkaynakeksi bir tam dalga boyunu yaymak için gereken süre boyunca kaynağın ne kadar hareket ettiği veya bir periyotta ne kadar hareket ettiği veya 1/fkaynaksaniye:
\lambda_{gözlemci} = \lambda_{kaynak} - \frac{v_{kaynak}}{f_{kaynak}}
yeniden yazmaλkaynakses hızı açısından,vsesvefkaynakelde edersin:
\lambda_{gözlemci} = \frac{v_{ses}}{f_{kaynak}} - \frac{v_{kaynak}}{f_{kaynak}}=\frac{v_{ses} - v_{kaynak}}{ f_{kaynak}}
Dalga hızının dalga boyu ve frekansın ürünü olduğu gerçeğini kullanarak, gözlemcinin hangi frekansı algıladığını belirleyebilir,fgözlemci, ses hızı açısındanvses, kaynağın hızı ve kaynak tarafından yayılan frekans.
f_{gözlemci} = \frac{v_{ses}}{\lambda_{kaynak}} = \frac{v_{ses}}{v_{ses} - v_{kaynak}}f_{kaynak}
Bu, bir nesne size yaklaştığında sesin neden daha yüksek perdeli (daha yüksek frekanslı) göründüğünü açıklar.
Ses Kaynağı Azalması
Frekans sesi yayan bir kaynak hayal edinfkaynakhızla bir gözlemciden uzaklaşıyorvkaynak. Sesin ilk dalga boyu iseλkaynak, gözlemci tarafından tespit edilen dalga boyu orijinal dalga boyu olmalıdırλkaynakartı bir tam dalga boyunu yaymak için gereken süre boyunca kaynağın ne kadar hareket ettiği veya bir periyotta ne kadar hareket ettiği veya 1/fkaynaksaniye:
\lambda_{gözlemci} = \lambda_{kaynak} + \frac{v_{kaynak}}{f_{kaynak}}
yeniden yazmaλkaynakses hızı açısından,vsesvefkaynakelde edersin:
\lambda_{gözlemci} = \frac{v_{ses}}{f_{kaynak}} + \frac{v_{kaynak}}{f_{kaynak}} = \frac{v_{ses} + v_{kaynak}}{ f_{kaynak}}
Dalga hızının dalga boyu ve frekansın ürünü olduğu gerçeğini kullanarak, gözlemcinin hangi frekansı algıladığını belirleyebilir,fgözlemci, ses hızı açısındanvses, kaynağın hızı ve kaynak tarafından yayılan frekans.
f_{gözlemci} = \frac{v_{ses}}{\lambda_{kaynak}} = \frac{v_{ses}}{v_{ses} + v_{kaynak}}f_{kaynak}
Bu, hareket eden bir nesne uzaklaşırken seslerin neden daha düşük perdeli (düşük frekanslı) göründüğünü açıklar.
Bağıl Hareket
Hem kaynak hem de gözlemci hareket ediyorsa, gözlemlenen frekans kaynak ve gözlemci arasındaki bağıl hıza bağlıdır. Gözlenen frekans için denklem daha sonra şöyle olur:
f_{gözlemci} = \frac{v_{ses} ± v_{gözlemci}}{v_{ses} ∓ v_{kaynak}}f_{kaynak}
Üstteki işaretler yaklaşmak için, alttaki işaretler ise uzaklaşmak için kullanılır.
Sonic patlaması
Yüksek hızlı bir jet ses hızına yaklaştıkça, önündeki ses dalgaları, dalga tepe noktaları birbirine yaklaştıkça “yığılmaya” başlar. Bu, uçak ses hızına ulaşmaya ve onu aşmaya çalışırken çok büyük bir direnç yaratır.
Uçak ilerleyip ses hızını geçtiğinde, bir şok dalgası yaratılır ve çok yüksek bir ses patlaması meydana gelir.
Jet, ses hızından daha hızlı uçmaya devam ederken, uçuşuyla ilgili tüm sesler, süzülürken geride kalır.
Elektromanyetik Dalgalar için Doppler Kayması
Işık dalgaları için Doppler kayması hemen hemen aynı şekilde çalışır. Yaklaşan nesnelerin mavi bir kayma gösterdiği söylenir, çünkü ışıkları em spektrumunun mavi ucuna doğru kayacaktır ve uzaklaşan nesnelerin kırmızı bir kayma gösterdiği söylenir.
Bu etkiden nesnelerin uzaydaki hızları ve hatta evrenin genişlemesi gibi şeyleri belirleyebilirsiniz.
İncelenecek Örnekler
Örnek 1:Bir polis arabası, sirenleri 70 mil hızla çalarak size yaklaşıyor. Gerçek siren frekansı, algıladığınız frekansla nasıl karşılaştırılır? (Sesin havadaki hızının 343 m/s olduğunu varsayalım)
Önce 70 mph'yi m/s'ye çevirin ve 31.3 m/s elde edin.
Gözlemci tarafından deneyimlenen frekans daha sonra:
f_{gözlemci} = \frac{343\text{ m/s}}{343\text{ m/s} - 31.3\text{ m/s}}f_{kaynak} = 1.1f_{kaynak}
Bu nedenle, kaynak frekansından 1,1 kat daha büyük (veya yüzde 10 daha yüksek) bir frekans duyarsınız.
Örnek 2:Uzaydaki bir nesneden gelen 570 nm sarı ışık, 3 nm kırmızıya kaydırılır. Bu nesne ne kadar hızlı uzaklaşıyor?
Burada aynı Doppler kaydırma denklemlerini kullanabilirsiniz, ancak bunun yerinevses, kullanırdınc, Işık hızı. Işık için gözlemlenen dalga boyu denklemini yeniden yazarsanız şunları elde edersiniz:
\lambda_{gözlemci} = \frac{c + v_{kaynak}}{f_{kaynak}}
olduğu gerçeğini kullanarakfkaynak = c/ λkaynak, ve sonra için çözmevkaynak, elde edersiniz:
\begin{hizalanmış} &\lambda_{gözlemci} = \frac{c + v_{kaynak}}{c}\lambda_{kaynak}\\ &\implies v_{kaynak} = \frac{\lambda_{gözlemci} - \ lambda_{kaynak}}{\lambda_{kaynak}}c \end{hizalı}
Son olarak, değerleri ekleyerek cevabı alırsınız:
v_{kaynak} = \frac{3}{570}3\times 10^8\text{ m/s} = 1.58\times 10^6\text{ m/s}
Bunun son derece hızlı olduğunu (saatte yaklaşık 3,5 milyon mil) ve Doppler kaymasına "kırmızı" kayma denmesine rağmen, bu kaydırılan ışığın yine de gözlerinize sarı görüneceğini unutmayın. "Kırmızıya kaydırıldı" ve "maviye kaydırıldı" terimleri, ışığın kırmızı veya mavi olduğu anlamına gelmez, sadece spektrumun bu ucuna doğru kaydığı anlamına gelir.
Doppler Etkisinin Diğer Uygulamaları
Doppler etkisi bilim adamları, doktorlar, ordu ve diğer birçok insan tarafından birçok farklı gerçek dünya uygulamasında kullanılmaktadır. Sadece bu da değil, bazı hayvanların hareket eden nesnelerden ses dalgalarını sektirerek ve yankının perdesindeki değişiklikleri dinleyerek "görmek" için bu etkiyi kullandıkları bilinmektedir.
Astronomide, Doppler etkisi sarmal gökadaların dönme hızlarını ve gökadaların gerileme hızlarını belirlemek için kullanılır.
Polis, hız tespit eden radar silahlarıyla Doppler etkisinden yararlanır. Meteorologlar bunu fırtınaları izlemek için kullanırlar. Doktorlar tarafından kullanılan Doppler ekokardiyogramlar, kalbin görüntülerini üretmek ve kan akışını belirlemek için ses dalgalarını kullanır. Ordu, denizaltı hızlarını belirlemek için Doppler etkisini bile kullanıyor.