Doppler-Effekt
Acoustic Doppler current profilerEdit
Ein Acoustic Doppler current profiler (ADCP) ist ein hydroakustisches Strömungsmessgerät, ähnlich einem Sonar, das zur Messung der Strömungsgeschwindigkeiten im Wasser über einen Tiefenbereich verwendet wird und den Doppler-Effekt von Schallwellen nutzt, die von Partikeln in der Wassersäule zurückgestreut werden. Der Begriff ADCP ist ein Oberbegriff für alle akustischen Strömungsprofiler, wobei die Abkürzung auf eine von RD Instruments in den 1980er Jahren eingeführte Geräteserie zurückgeht. Die Arbeitsfrequenzen von ADCPs reichen von 38 kHz bis zu mehreren Megahertz. Das Gerät, das in der Luft für die Windgeschwindigkeitsprofilierung mittels Schall verwendet wird, ist als SODAR bekannt und arbeitet mit den gleichen Grundprinzipien.
RobotikEdit
Dynamische Echtzeit-Pfadplanung in der Robotik zur Unterstützung der Bewegung von Robotern in einer anspruchsvollen Umgebung mit sich bewegenden Hindernissen bedient sich oft des Dopplereffekts. Solche Anwendungen werden besonders in der Wettbewerbsrobotik eingesetzt, wo sich die Umgebung ständig ändert, wie z. B. beim Robo-Fußball.
SirenenEdit
Medien abspielen
Eine Sirene an einem vorbeifahrenden Einsatzfahrzeug beginnt mit einer höheren als der stationären Tonhöhe, rutscht bei der Vorbeifahrt nach unten und setzt sich bei der Entfernung vom Beobachter wieder unter die stationäre Tonhöhe. Der Astronom John Dobson erklärte den Effekt so:
Der Grund, warum die Sirene abrutscht, ist, dass sie einen nicht trifft.
Mit anderen Worten, wenn sich die Sirene dem Beobachter direkt nähert, würde die Tonhöhe konstant bleiben, auf einer höheren als der stationären Tonhöhe, bis das Fahrzeug ihn trifft, und dann sofort auf eine neue niedrigere Tonhöhe springen. Da das Fahrzeug am Beobachter vorbeifährt, bleibt die Radialgeschwindigkeit nicht konstant, sondern variiert in Abhängigkeit vom Winkel zwischen seiner Sichtlinie und der Geschwindigkeit der Sirene:
v radial = v s ⋅ cos θ {\displaystyle v_{\text{radial}}=v_{\text{s}}\cdot \cos {\theta }}
wobei θ {\displaystyle \theta }
ist der Winkel zwischen der Vorwärtsgeschwindigkeit des Objekts und der Sichtlinie vom Objekt zum Beobachter.
AstronomieEdit
Der Dopplereffekt für elektromagnetische Wellen wie Licht ist in der Astronomie von großem Nutzen und führt entweder zu einer sogenannten Rot- oder Blauverschiebung. Er wird genutzt, um die Geschwindigkeit zu messen, mit der sich Sterne und Galaxien auf uns zubewegen oder sich von uns entfernen, also ihre Radialgeschwindigkeiten. Dies kann verwendet werden, um zu erkennen, ob ein scheinbar einzelner Stern in Wirklichkeit ein naher Doppelstern ist, um die Rotationsgeschwindigkeit von Sternen und Galaxien zu messen oder um Exoplaneten zu entdecken. Diese Rotverschiebung und Blauverschiebung findet auf einer sehr kleinen Skala statt. Wenn sich ein Objekt auf die Erde zubewegen würde, gäbe es für das bloße Auge keinen merklichen Unterschied im sichtbaren Licht.
Beachten Sie, dass die Rotverschiebung auch verwendet wird, um die Ausdehnung des Raumes zu messen, aber dass dies nicht wirklich ein Dopplereffekt ist. Vielmehr ist die Rotverschiebung aufgrund der Raumausdehnung als kosmologische Rotverschiebung bekannt, die sich rein aus der Robertson-Walker-Metrik unter dem Formalismus der Allgemeinen Relativitätstheorie ableiten lässt. Allerdings gibt es auch nachweisbare Dopplereffekte auf kosmologischen Skalen, die, wenn sie fälschlicherweise als kosmologischer Ursprung interpretiert werden, zur Beobachtung von Rotverschiebungs-Raumverzerrungen führen.
Die Nutzung des Dopplereffekts für Licht in der Astronomie hängt von unserem Wissen ab, dass die Spektren von Sternen nicht homogen sind. Sie weisen Absorptionslinien bei wohldefinierten Frequenzen auf, die mit den Energien korrelieren, die erforderlich sind, um Elektronen in verschiedenen Elementen von einem Niveau zum anderen anzuregen. Der Dopplereffekt ist daran zu erkennen, dass die Absorptionslinien nicht immer bei den Frequenzen liegen, die sich aus dem Spektrum einer stationären Lichtquelle ergeben. Da blaues Licht eine höhere Frequenz als rotes Licht hat, weisen die Spektrallinien einer sich nähernden astronomischen Lichtquelle eine Blauverschiebung und die einer sich entfernenden astronomischen Lichtquelle eine Rotverschiebung auf.
Unter den nahen Sternen sind die größten Radialgeschwindigkeiten in Bezug auf die Sonne +308 km/s (BD-15°4041, auch bekannt als LHS 52, 81,7 Lichtjahre entfernt) und -260 km/s (Woolley 9722, auch bekannt als Wolf 1106 und LHS 64, 78,2 Lichtjahre entfernt). Positive Radialgeschwindigkeit bedeutet, dass sich der Stern von der Sonne entfernt, negative, dass er sich ihr nähert.
RadarEdit
Der Doppler-Effekt wird in einigen Arten von Radar genutzt, um die Geschwindigkeit von erfassten Objekten zu messen. Ein Radarstrahl wird auf ein sich bewegendes Ziel – z. B. ein Auto, da die Polizei Radar verwendet, um zu schnell fahrende Autofahrer zu erkennen – abgefeuert, während es sich der Radarquelle nähert oder sich von ihr entfernt. Jede nachfolgende Radarwelle muss sich weiter bewegen, um das Auto zu erreichen, bevor sie reflektiert und in der Nähe der Quelle wieder erfasst wird. Da sich jede Welle weiter bewegen muss, vergrößert sich der Abstand zwischen den einzelnen Wellen, wodurch sich die Wellenlänge erhöht. In einigen Situationen wird der Radarstrahl auf das sich nähernde Auto abgefeuert, in diesem Fall legt jede aufeinanderfolgende Welle eine geringere Strecke zurück, wodurch sich die Wellenlänge verringert. In beiden Situationen bestimmen die Berechnungen des Dopplereffekts die Geschwindigkeit des Fahrzeugs genau. Darüber hinaus stützt sich der im Zweiten Weltkrieg entwickelte Annäherungszünder auf das Doppler-Radar, um den Sprengstoff zum richtigen Zeitpunkt, in der richtigen Höhe, in der richtigen Entfernung usw. zu zünden.
Da die Dopplerverschiebung sowohl die auf das Ziel auftreffende als auch die zum Radar zurückreflektierte Welle beeinflusst, ist die von einem Radar beobachtete Frequenzänderung aufgrund eines Ziels, das sich mit der Relativgeschwindigkeit Δ v {\displaystyle \Delta v} bewegt, doppelt so groß wie die des gleichen Ziels, das eine Welle aussendet: Δ f = 2 Δ v c f 0 {\displaystyle \Delta f={\frac {2\Delta v}{c}}f_{0}}
.
MedicalEdit
Ein Echokardiogramm kann, innerhalb gewisser Grenzen eine genaue Beurteilung der Blutflussrichtung und der Geschwindigkeit des Blutes und des Herzgewebes an jedem beliebigen Punkt unter Ausnutzung des Dopplereffektes liefern. Eine der Einschränkungen ist, dass der Ultraschallstrahl möglichst parallel zum Blutfluss sein sollte. Geschwindigkeitsmessungen ermöglichen die Beurteilung von Herzklappenflächen und -funktion, abnormalen Kommunikationen zwischen der linken und rechten Herzseite, Blutaustritt durch die Klappen (Valvularregurgitation) und die Berechnung des Herzzeitvolumens. Kontrastverstärkter Ultraschall mit gasgefüllten Mikrobläschen-Kontrastmitteln kann zur Verbesserung der Geschwindigkeits- oder anderer flussbezogener medizinischer Messungen eingesetzt werden.
Obwohl „Doppler“ in der medizinischen Bildgebung zum Synonym für „Geschwindigkeitsmessung“ geworden ist, wird in vielen Fällen nicht die Frequenzverschiebung (Doppler-Verschiebung) des empfangenen Signals gemessen, sondern die Phasenverschiebung (wann das empfangene Signal ankommt).
Geschwindigkeitsmessungen des Blutflusses werden auch in anderen Bereichen der medizinischen Ultraschalldiagnostik eingesetzt, z. B. in der Geburtshilfe und in der Neurologie. Die Geschwindigkeitsmessung des Blutflusses in Arterien und Venen basierend auf dem Dopplereffekt ist ein effektives Werkzeug zur Diagnose von Gefäßproblemen wie Stenosen.
Durchflussmessung
Instrumente wie das Laser-Doppler-Velocimeter (LDV) und das akustische Doppler-Velocimeter (ADV) wurden entwickelt, um Geschwindigkeiten in einem Flüssigkeitsstrom zu messen. Das LDV sendet einen Lichtstrahl und das ADV einen akustischen Ultraschallstoß aus und messen die Doppler-Verschiebung der Wellenlängen von Reflexionen von Partikeln, die sich mit der Strömung bewegen. Der tatsächliche Durchfluss wird als eine Funktion der Wassergeschwindigkeit und der Phase berechnet. Diese Technik ermöglicht eingriffsfreie Durchflussmessungen mit hoher Präzision und hoher Frequenz.
Geschwindigkeitsprofilmessung
Ursprünglich für Geschwindigkeitsmessungen in medizinischen Anwendungen (Blutfluss) entwickelt, kann die Ultraschall-Doppler-Velocimetrie (UDV) in Echtzeit das komplette Geschwindigkeitsprofil in fast allen Flüssigkeiten messen, die Partikel in Suspension enthalten, wie z. B. Staub, Gasblasen, Emulsionen. Die Strömungen können pulsierend, oszillierend, laminar oder turbulent, stationär oder transient sein. Diese Technik ist vollständig nicht-invasiv.
SatellitenEdit
 Mögliche Doppler-Verschiebungen in Abhängigkeit vom Höhenwinkel (LEO: Umlaufbahnhöhe h)
 = 750 km). Feste Bodenstation. |
 Geometrie für Dopplereffekte. Variablen: v m o b {\displaystyle v_{mob}}
 ist die Geschwindigkeit der mobilen Station, v S a t {\displaystyle v_{Sat}}  ist die Geschwindigkeit des Satelliten, v r e l , s a t {\displaystyle v_{rel,sat}}  ist die relative Geschwindigkeit des Satelliten, ϕ {\displaystyle \phi }  ist der Elevationswinkel des Satelliten und θ {\displaystyle \theta } ist die Fahrtrichtung in Bezug auf den Satelliten. |
 Dopplereffekt auf dem mobilen Kanal. Variablen: f c = c λ c {\displaystyle f_{c}={\frac {c}{\lambda _{\rm {c}}}}}
 ist die Trägerfrequenz, f D , m a x = v m o b λ c {\displaystyle f_{\rm {D,max}}={\frac {v_{\rm {mob}}}{\lambda _{\rm {c}}}}}  ist die maximale Doppler-Verschiebung aufgrund der Bewegung der Mobilstation (siehe Doppler-Spread) und f D , S a t {\displaystyle f_{\rm {D,Sat}}  ist die zusätzliche Dopplerverschiebung durch die Bewegung des Satelliten. |
SatellitennavigationBearbeiten
Die Dopplerverschiebung kann für die Satellitennavigation ausgenutzt werden, wie z.B. bei Transit und DORIS.
SatellitenkommunikationBearbeiten
Auch in der Satellitenkommunikation muss der Doppler kompensiert werden. Schnell bewegte Satelliten können eine Dopplerverschiebung von Dutzenden Kilohertz relativ zu einer Bodenstation aufweisen. Die Geschwindigkeit, also die Größe des Dopplereffekts, ändert sich aufgrund der Erdkrümmung. Damit der Satellit ein Signal mit konstanter Frequenz empfängt, wird eine dynamische Dopplerkompensation verwendet, bei der die Frequenz eines Signals während der Übertragung schrittweise verändert wird. Nachdem man festgestellt hatte, dass die Dopplerverschiebung vor dem Start der Huygens-Sonde der Cassini-Huygens-Mission 2005 nicht berücksichtigt worden war, wurde die Flugbahn der Sonde so verändert, dass sie sich Titan so näherte, dass ihre Übertragungen senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung relativ zu Cassini verliefen, wodurch die Dopplerverschiebung stark reduziert wurde.
Die Dopplerverschiebung der direkten Bahn kann mit folgender Formel abgeschätzt werden:
f D , d i r = v m o b λ c cos ϕ cos θ {\displaystyle f_{\rm {D,dir}}={\frac {v_{\rm {mob}}}{\lambda _{\rm {c}}}}\cos \phi \cos \theta }
wobei v m o b {\displaystyle v_{mob}}
ist die Geschwindigkeit der mobilen Station, λ c {\displaystyle \lambda _{\rm {c}}}
ist die Wellenlänge des Trägers, ϕ {\displaystyle \phi }
ist der Elevationswinkel des Satelliten und θ {\displaystyle \theta }
ist die Fahrtrichtung in Bezug auf den Satelliten.
Die zusätzliche Dopplerverschiebung durch die Bewegung des Satelliten kann beschrieben werden als:
f D , s a t = v r e l , s a t λ c {\displaystyle f_{\rm {D,sat}}={\frac {v_{\rm {rel,sat}}}{\lambda _{\rm {c}}}}}
wobei v r e l , s a t {\displaystyle v_{\rm {rel,sat}}}
ist die relative Geschwindigkeit des Satelliten.
AudioEdit
Der Leslie-Lautsprecher, der vor allem mit der berühmten Hammond-Orgel in Verbindung gebracht und verwendet wird, macht sich den Doppler-Effekt zunutze, indem er einen Elektromotor verwendet, der ein akustisches Horn um einen Lautsprecher rotieren lässt und so den Klang in einem Kreis aussendet. Dies führt am Ohr des Zuhörers zu schnell schwankenden Frequenzen eines Tastentons.
Schwingungsmessung
Ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) ist ein berührungsloses Instrument zur Messung von Schwingungen. Der Laserstrahl des LDV wird auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet, und die Schwingungsamplitude und -frequenz werden aus der Dopplerverschiebung der Laserstrahlfrequenz aufgrund der Bewegung der Oberfläche extrahiert.
EntwicklungsbiologieEdit
Während der Segmentierung von Wirbeltierembryonen laufen Wellen der Genexpression über das präsomitische Mesoderm, das Gewebe, aus dem die Vorläufer der Wirbel (Somiten) gebildet werden. Ein neuer Somit wird gebildet, wenn eine Welle am vorderen Ende des präsomitischen Mesoderms ankommt. Bei Zebrafischen wurde gezeigt, dass die Verkürzung des präsomitischen Mesoderms während der Segmentierung zu einem Dopplereffekt führt, wenn das vordere Ende des Gewebes in die Wellen hineinwandert. Dieser Doppler-Effekt trägt zur Periode der Segmentierung bei.