Cours 7 – Effet Doppler v2015

Cours 7 – Effet Doppler v2015
Ex recommandés (ch 3) : 15,23 + TP et son corrigé
1 - Le phénomène physique
La hauteur du son d’une sirène ou d’un moteur baisse brutalement lorsque le véhicule nous croise.
Ex : à la plage…
 Les vagues arrivent sur la plage avec une fréquence F.
 Si je marche à la rencontre des vagues , leur fréquence
(pour moi) sera plus grande.
 Si je repars vers la plage, leur fréquence (pour moi)
sera plus faible. ( Cas extrême : je repars en surf, je
voyage avec l'onde ; fréquence nulle )
 Pour les gens qui bronzent, la fréquence des vagues
est toujours la même.
 On comprend donc que le mouvement d’un récepteur
puisse influer sur sa mesure de fréquences d’ondes
progressives.
Autre point de vue : émetteur en mouvement
Je suis en voiture et je fais des «bip» de période T , fréquence F . Chaque bip une fois qu'il est émis se propage sous la forme
d'un front , à la vitesse du son , autour du point où il a été émis .
 Il est essentiel de voir et comprendre (et ça se voit bien sur le schéma) que pour l’observateur, le son se propage dans l’air ,
à la vitesse du son, à partir de l’endroit où il a été émis. (la vitesse de la voiture ne s’ajoute pas à celle du son).
 Conclusion
 Soit une perturbation de fréquence F, émise par une source.
 Si la source et un récepteur se rapprochent l’un de l’autre , le récepteur mesure une fréquence F' > F.
 Si la source et le récepteur s’éloignent l’un de l’autre , le récepteur mesure une fréquence F' < F.
 Ceci est valable pour tout type d'onde (mécanique ou électromagnétique), et dans tous les milieux.
 Les formules vous seront toujours données.
Si vous voulez comprendre leur origine voir l'annexe hors programme proposé sur Claroline .
Ex : Afin de vérifier la théorie de C. Doppler, le scientifique C. Buys-Ballot a réalisé l’expérience suivante :
Des musiciens à bord d’un train jouent un la 440. D’autre musiciens, postés le long de la voie ferrés identifient la note entendue comme étant
un si bémol.
Doc 1 : tableau de fréquence des notes de musiques
Note
Fa
Fa #
Sol
Lab
La
Sib
F(Hz)
349
370
392
415
440
466
Doc 2 : Relation permettant de calculer la vitesse V d’un émetteur sonore s’approchant d’un observateur immobile : V = VSon (1-fE/fR)
1. Déterminer la vitesse de déplacement du train en m.s-1 et km.h-1
2. Retrouver la formule précédente à partir de la formule fR = fE / ( 1 – V / Vson)
2 - Effet Doppler-Fizeau
Pour les ondes électro-magnétiques (oem) on parle d’effet Doppler-Fizeau .
La fréquence d’une oem dépend également de la vitesse relative source -récepteur. Par ex, comme précédemment , si la
source et le récepteur de cette perturbation se rapprochent, le récepteur mesurera une fréquence  ' >  .
De plus, nous verrons (cours « relativité » ) que la vitesse de la lumière est identique dans TOUS les référentiels (ce qui n’est pas
le cas de la vitesse du son) .
La longueur d’ondes étant liée à la fréquence de l’oem par la relation = c / et c étant identique dans tous les référentiels, la
longueur d’ondes d’une oem est donc également affectée par l’effet Doppler : si l’objet lumineux se rapproche du récepteur, les
fréquences mesurées sont plus hautes que dans le réf. de l’émetteur, donc les longueurs d’ondes sont décalées vers le bas
(« décalage vers le bleu » ) . Si l’objet s’éloigne on observe un « décalage vers le rouge ».
Comment mesurer cette différence ?
Le spectre d’ absorption d'une étoile contient des séries de raies caractéristiques d'éléments chimiques, dont les longueurs
d’ondes sont bien connues dans le référentiel du laboratoire. Si l’on repère dans ce spectre un décalage de longueur d'onde de
toutes ces raies par rapport à leur valeur de référence , c'est que émetteur et récepteur ont une vitesse relative non nulle.
3 - Applications
L’effet Doppler Fizeau permet de mesurer la vitesse des objets célestes ( planètes, astres, galaxies, nuages de matière…)
Les radars Doppler permettent des mesures de vitesse à distance , avec des ondes sonores :
 Un radar envoie un train d’ondes sur un objet et détermine sa distance par mesure du retard de l’écho.
 Un radar doppler est un émetteur+récepteur qui en plus mesure la différence de fréquence entre le signal envoyé et le
signal reçu. En effet , en envoyant un signal sonore sur un objet , celui-ci devient lui aussi un émetteur de ce signal ,
fréquence qui sera modifiée dans le réf. du radar si l’objet est en mouvement.
Applications :
 mesure de flux sanguin ( effet doppler sur des ultra-sons)
 mesure de vitesse à distance (véhicules, projectiles, vents , mouvements de fluides )
(hors programme )
Que se passe-t-il quand un objet voyage à une vitesse proche ou
supérieure à la vitesse du son ?
Si un émetteur (ex : avion à réaction) voyage exactement à la vitesse du
son, il accompagne toutes les ondes qu'il émet. En conséquence
 un observateur entendra un bruit considérable (ou un bang si l’avion
est exactement à la vitesse du son ) au passage de l'émetteur.
 un son se propage par collisions entre molécules voisines , qui voient
leur position perturbée temporairement par l’onde de surpression.
Voyager à la vitesse du son empêche les molécules de revenir à leur
position d'équilibre. Il y a accumulation de molécules ce qui explique
que l'avion rencontre une très grande résistance de l'air + des
phénomènes de condensation .
Si l'émetteur (voyage à une vitesse supérieure à celle du son, il dépasse toutes les ondes qu'il émet. En conséquence
 on ne l'entend pas arriver
 L’ accumulation des ondes se fait non pas en avant de l'avion mais sur un « cône de choc » . Lorsque le cône passe sur un observateur,
celui ci entend un bruit très important ou même un bang . .