Effet Doppler
Profileur de courant acoustique à effet DopplerEdit
Un profileur de courant acoustique à effet Doppler (ADCP) est un courantomètre hydroacoustique similaire à un sonar, utilisé pour mesurer les vitesses des courants d’eau sur une plage de profondeur en utilisant l’effet Doppler des ondes sonores rétrodiffusées par les particules au sein de la colonne d’eau. Le terme ADCP est un terme générique pour tous les profileurs de courant acoustique, bien que l’abréviation provienne d’une série d’instruments introduits par RD Instruments dans les années 1980. Les fréquences de travail des ADCP vont de 38 kHz à plusieurs mégahertz. Le dispositif utilisé dans l’air pour le profilage de la vitesse du vent à l’aide du son est connu sous le nom de SODAR et fonctionne avec les mêmes principes sous-jacents.
RoboticsEdit
La planification dynamique de la trajectoire en temps réel en robotique pour aider le mouvement des robots dans un environnement sophistiqué avec des obstacles mobiles prend souvent l’aide de l’effet Doppler. De telles applications sont spécialement utilisées pour la robotique de compétition où l’environnement change constamment, comme le robosoccer.
SirènesEdit
Jouer le média
La sirène d’un véhicule d’urgence qui passe commencera plus haut que sa hauteur stationnaire, glissera vers le bas au fur et à mesure qu’il passe, et continuera plus bas que sa hauteur stationnaire lorsqu’il s’éloignera de l’observateur. L’astronome John Dobson a expliqué cet effet ainsi :
La raison pour laquelle la sirène glisse est qu’elle ne vous frappe pas.
En d’autres termes, si la sirène s’approchait directement de l’observateur, le pas resterait constant, à un niveau plus élevé que le pas stationnaire, jusqu’à ce que le véhicule le frappe, puis sauterait immédiatement à un nouveau pas plus bas. Comme le véhicule passe devant l’observateur, la vitesse radiale ne reste pas constante, mais varie en fonction de l’angle entre sa ligne de visée et la vitesse de la sirène :
v radial = v s ⋅ cos θ {\displaystyle v_{\text{radial}}=v_{\text{s}}\cdot \cos {\theta }}.
où θ {\displaystyle \theta }
est l’angle entre la vitesse d’avancement de l’objet et la ligne de visée de l’objet vers l’observateur.
AstronomyEdit
L’effet Doppler pour les ondes électromagnétiques telles que la lumière est d’une grande utilité en astronomie et se traduit par ce qu’on appelle un redshift ou un blueshift. Il a été utilisé pour mesurer la vitesse à laquelle les étoiles et les galaxies s’approchent ou s’éloignent de nous, c’est-à-dire leur vitesse radiale. Cela peut être utilisé pour détecter si une étoile apparemment unique est, en réalité, une binaire proche, pour mesurer la vitesse de rotation des étoiles et des galaxies, ou pour détecter des exoplanètes. Ce décalage vers le rouge et vers le bleu se produit à une très petite échelle. Si un objet se déplaçait vers la terre, il n’y aurait pas de différence notable dans la lumière visible, à l’œil nu.
Notez que le décalage vers le rouge est également utilisé pour mesurer l’expansion de l’espace, mais qu’il ne s’agit pas vraiment d’un effet Doppler. Au contraire, le décalage vers le rouge dû à l’expansion de l’espace est connu sous le nom de décalage vers le rouge cosmologique, qui peut être dérivé purement de la métrique de Robertson-Walker sous le formalisme de la relativité générale. Cela dit, il arrive aussi qu’il existe des effets Doppler détectables à des échelles cosmologiques, qui, s’ils sont interprétés à tort comme étant d’origine cosmologique, conduisent à l’observation de distorsions de l’espace dues au redshift.
L’utilisation de l’effet Doppler pour la lumière en astronomie dépend de notre connaissance du fait que les spectres des étoiles ne sont pas homogènes. Ils présentent des raies d’absorption à des fréquences bien définies qui sont corrélées aux énergies nécessaires pour exciter les électrons de divers éléments d’un niveau à un autre. L’effet Doppler est reconnaissable au fait que les raies d’absorption ne sont pas toujours aux fréquences que l’on obtient à partir du spectre d’une source lumineuse stationnaire. La lumière bleue ayant une fréquence plus élevée que la lumière rouge, les lignes spectrales d’une source de lumière astronomique qui s’approche présentent un décalage vers le bleu et celles d’une source de lumière astronomique qui s’éloigne présentent un décalage vers le rouge.
Parmi les étoiles proches, les vitesses radiales les plus importantes par rapport au Soleil sont de +308 km/s (BD-15°4041, également connue sous le nom de LHS 52, à 81,7 années-lumière) et de -260 km/s (Woolley 9722, également connue sous le nom de Wolf 1106 et LHS 64, à 78,2 années-lumière). Une vitesse radiale positive signifie que l’étoile s’éloigne du Soleil, négative qu’elle s’en rapproche.
RadarEdit
L’effet Doppler est utilisé dans certains types de radar, pour mesurer la vitesse des objets détectés. Un faisceau radar est tiré sur une cible en mouvement – par exemple une voiture, car la police utilise le radar pour détecter les automobilistes en excès de vitesse – lorsqu’elle s’approche ou s’éloigne de la source radar. Chaque onde radar successive doit parcourir une plus grande distance pour atteindre la voiture, avant d’être réfléchie et redétectée près de la source. Comme chaque onde doit se déplacer plus loin, l’écart entre chaque onde augmente, ce qui accroît la longueur d’onde. Dans certaines situations, le faisceau radar est tiré sur la voiture en mouvement alors qu’elle s’approche, auquel cas chaque onde successive parcourt une distance moindre, ce qui diminue la longueur d’onde. Dans les deux cas, les calculs de l’effet Doppler permettent de déterminer avec précision la vitesse de la voiture. De plus, la fusée de proximité, développée pendant la Seconde Guerre mondiale, s’appuie sur le radar Doppler pour faire détoner les explosifs au bon moment, à la bonne hauteur, à la bonne distance, etc.
Parce que le décalage Doppler affecte l’onde incidente sur la cible ainsi que l’onde réfléchie vers le radar, le changement de fréquence observé par un radar dû à une cible se déplaçant à une vitesse relative Δ v {\displaystyle \Delta v}
est le double de celui provenant de la même cible émettant une onde : Δ f = 2 Δ v c f 0 {\displaystyle \Delta f={\frac {2\Delta v}{c}}f_{0}}
.
MédicalEdit
Une échocardiographie peut, dans certaines limites, produire une évaluation précise de la direction du flux sanguin et de la vitesse du sang et du tissu cardiaque en tout point arbitraire en utilisant l’effet Doppler. L’une des limites est que le faisceau ultrasonore doit être aussi parallèle que possible au flux sanguin. Les mesures de vitesse permettent d’évaluer les zones et la fonction des valves cardiaques, les communications anormales entre les côtés gauche et droit du cœur, les fuites de sang à travers les valves (régurgitation valvulaire) et le calcul du débit cardiaque. L’échographie améliorée par contraste utilisant des produits de contraste à microbulles remplies de gaz peut être utilisée pour améliorer la vitesse ou d’autres mesures médicales liées au flux.
Bien que « Doppler » soit devenu synonyme de « mesure de la vitesse » en imagerie médicale, dans de nombreux cas, ce n’est pas le décalage de fréquence (décalage Doppler) du signal reçu qui est mesuré, mais le décalage de phase (lorsque le signal reçu arrive).
La mesure de la vélocité du flux sanguin est également utilisée dans d’autres domaines de l’échographie médicale, comme l’échographie obstétrique et la neurologie. La mesure de la vitesse du flux sanguin dans les artères et les veines, basée sur l’effet Doppler, est un outil efficace pour le diagnostic des problèmes vasculaires tels que la sténose.
Mesure du fluxModification
Des instruments tels que le vélocimètre Doppler laser (LDV), et le vélocimètre Doppler acoustique (ADV) ont été développés pour mesurer les vitesses dans un flux de fluide. Le LDV émet un faisceau lumineux et l’ADV émet une rafale acoustique ultrasonique, et mesure le décalage Doppler des longueurs d’onde des réflexions des particules se déplaçant avec l’écoulement. Le débit réel est calculé en fonction de la vitesse et de la phase de l’eau. Cette technique permet des mesures d’écoulement non intrusives, à haute précision et à haute fréquence.
Mesure du profil de vitesseEdit
Développée à l’origine pour les mesures de vitesse dans les applications médicales (flux sanguin), la vélocimétrie Doppler ultrasonique (UDV) peut mesurer en temps réel le profil de vitesse complet dans presque tous les liquides contenant des particules en suspension telles que des poussières, des bulles de gaz, des émulsions. Les écoulements peuvent être pulsés, oscillants, laminaires ou turbulents, stationnaires ou transitoires. Cette technique est entièrement non invasive.
SatellitesEdit
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 Déplacements Doppler possibles en fonction de l’angle d’élévation (LEO : altitude de l’orbite h {\displaystyle h}
 = 750 km). Station terrestre fixe. |
 Géométrie pour les effets Doppler. Variables : v m o b {\displaystyle v_{mob}}
 est la vitesse de la station mobile, v S a t {\displaystyle v_{Sat}}.  est la vitesse du satellite, v r e l , s a t {\displaystyle v_{rel,sat}}  est la vitesse relative du satellite, ϕ {\displaystyle \phi }.  est l’angle d’élévation du satellite et θ {\displaystyle \theta }. est la direction de conduite par rapport au satellite. |
 Effet Doppler sur le canal mobile. Variables : f c = c λ c {\displaystyle f_{c}={\frac {c}{\lambda _{\rm {c}}}}}}.
 est la fréquence de la porteuse, f D , m a x = v m o b λ c {\displaystyle f_{\rm {D,max}}={\frac {v_{\rm {mob}}}{\lambda _{\rm {c}}}}}  est le décalage Doppler maximal dû au déplacement de la station mobile (voir l’étalement Doppler) et f D , S a t {\displaystyle f_{\rm {D,Sat}}  est le décalage Doppler supplémentaire dû au déplacement du satellite. |
Navigation par satelliteEdit
Le décalage Doppler peut être exploité pour la navigation par satellite, comme dans Transit et DORIS.
Communication par satelliteEdit
Le Doppler doit également être compensé dans la communication par satellite. Les satellites qui se déplacent rapidement peuvent avoir un décalage Doppler de plusieurs dizaines de kilohertz par rapport à une station au sol. La vitesse, donc l’ampleur de l’effet Doppler, change en raison de la courbure de la terre. La compensation dynamique de l’effet Doppler, où la fréquence d’un signal est modifiée progressivement pendant la transmission, est utilisée pour que le satellite reçoive un signal de fréquence constante. Après avoir réalisé que le décalage Doppler n’avait pas été pris en compte avant le lancement de la sonde Huygens de la mission Cassini-Huygens de 2005, la trajectoire de la sonde a été modifiée pour s’approcher de Titan de telle sorte que ses transmissions voyagent perpendiculairement à sa direction de déplacement par rapport à Cassini, ce qui a considérablement réduit le décalage Doppler.
Le décalage Doppler de la trajectoire directe peut être estimé par la formule suivante :
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 }.
où v m o b {\displaystyle v_{mob}}
est la vitesse de la station mobile, λ c {\displaystyle \lambda _{\rm {c}}.
est la longueur d’onde de la porteuse, ϕ {\displaystyle \phi }
est l’angle d’élévation du satellite et θ {\displaystyle \theta }.
est la direction de conduite par rapport au satellite.
Le décalage Doppler supplémentaire dû au déplacement du satellite peut être décrit comme:
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}}}}}
où v r e l , s a t {\displaystyle v_{\rm {rel,sat}}
est la vitesse relative du satellite.
AudioEdit
Le haut-parleur Leslie, le plus souvent associé et principalement utilisé avec le célèbre orgue Hammond, tire parti de l’effet Doppler en utilisant un moteur électrique pour faire tourner une corne acoustique autour d’un haut-parleur, envoyant son son dans un cercle. Il en résulte à l’oreille de l’auditeur une fluctuation rapide des fréquences d’une note du clavier.
Mesure des vibrationsModification
Un vibromètre Doppler laser (LDV) est un instrument sans contact permettant de mesurer les vibrations. Le faisceau laser du LDV est dirigé vers la surface d’intérêt, et l’amplitude et la fréquence des vibrations sont extraites du décalage Doppler de la fréquence du faisceau laser dû au mouvement de la surface.
Biologie du développementEdit
Lors de la segmentation des embryons de vertébrés, des vagues d’expression génétique balaient le mésoderme présomitique, le tissu à partir duquel les précurseurs des vertèbres (somites) sont formés. Un nouveau somite est formé à l’arrivée d’une vague à l’extrémité antérieure du mésoderme présomitique. Chez le poisson zèbre, il a été démontré que le raccourcissement du mésoderme présomitique pendant la segmentation entraîne un effet Doppler lorsque l’extrémité antérieure du tissu se déplace dans les ondes. Cet effet Doppler contribue à la période de segmentation.