Doppler effect
Akoestische Doppler stroomprofilerEdit
Een akoestische Doppler stroomprofiler (ADCP) is een hydro-akoestische stroommeter, vergelijkbaar met een sonar, die wordt gebruikt om de stroomsnelheden van het water over een dieptebereik te meten met behulp van het Doppler effect van geluidsgolven die door deeltjes in de waterkolom worden teruggekaatst. De term ADCP is een algemene term voor alle akoestische stroomprofileerapparaten, hoewel de afkorting afkomstig is van een instrumentenserie die in de jaren tachtig door RD Instruments werd geïntroduceerd. De werkfrequenties van ADCP’s lopen uiteen van 38 kHz tot enkele Megahertz. Het apparaat dat in de lucht wordt gebruikt voor windsnelheidsprofilering met behulp van geluid staat bekend als SODAR en werkt met dezelfde onderliggende principes.
RoboticsEdit
Dynamische real-time padplanning in de robotica om de beweging van robots in een geavanceerde omgeving met bewegende obstakels te helpen, maakt vaak gebruik van het Doppler-effect. Dergelijke toepassingen worden met name gebruikt voor competitieve robotica waarbij de omgeving voortdurend verandert, zoals bij robosoccer.
SirensEdit
Media afspelen
Een sirene op een passerend hulpverleningsvoertuig begint hoger dan zijn stationaire toonhoogte, glijdt naar beneden als het passeert, en gaat verder lager dan zijn stationaire toonhoogte als het zich verwijdert van de waarnemer. Astronoom John Dobson legde het effect als volgt uit:
De reden dat de sirene glijdt is dat hij je niet raakt.
Met andere woorden, als de sirene de waarnemer direct zou naderen, zou de toonhoogte constant blijven, op een hogere dan de stationaire toonhoogte, totdat het voertuig hem zou raken, en dan onmiddellijk naar een nieuwe lagere toonhoogte overspringen. Omdat het voertuig de waarnemer passeert, blijft de radiale snelheid niet constant, maar varieert in plaats daarvan als functie van de hoek tussen zijn gezichtslijn en de snelheid van de sirene:
v radiaal = v s ⋅ cos θ {{\displaystyle v_{\text{radiaal}}=v_{\text{s}}\cdot \cos {theta }}
waar θ {{\text{radiaal}}}{{\text{s}}}}\cos {\theta }}
is de hoek tussen de voorwaartse snelheid van het hemellichaam en de gezichtslijn van het hemellichaam naar de waarnemer.
AstronomieEdit
Het dopplereffect voor elektromagnetische golven zoals licht is van groot nut in de astronomie en resulteert in een zogenaamde roodverschuiving of blauwverschuiving. Het is gebruikt om de snelheid te meten waarmee sterren en melkwegstelsels ons naderen of zich van ons verwijderen; dat wil zeggen hun radiale snelheid. Dit kan worden gebruikt om vast te stellen of een schijnbaar enkele ster in werkelijkheid een dubbelster is, om de rotatiesnelheid van sterren en melkwegstelsels te meten, of om exoplaneten op te sporen. Deze rood- en blauwverschuiving gebeurt op zeer kleine schaal. Als een object naar de aarde toe beweegt, zou er voor het oog geen merkbaar verschil in zichtbaar licht zijn.
Merk op dat roodverschuiving ook wordt gebruikt om de uitdijing van de ruimte te meten, maar dat dit niet echt een Doppler-effect is. Roodverschuiving als gevolg van de uitdijing van de ruimte staat bekend als kosmologische roodverschuiving, die uitsluitend kan worden afgeleid uit de Robertson-Walker metriek volgens het formalisme van de Algemene Relativiteit. Dit gezegd hebbende, komt het ook voor dat er op kosmologische schalen Doppler-effecten waarneembaar zijn, die, als ze ten onrechte als kosmologisch van oorsprong worden geïnterpreteerd, leiden tot de waarneming van roodverschuiving-ruimtevervormingen.
Het gebruik van het Doppler-effect voor licht in de astronomie hangt af van onze kennis dat de spectra van sterren niet homogeen zijn. Zij vertonen absorptielijnen bij welbepaalde frequenties, die gecorreleerd zijn met de energieën die nodig zijn om elektronen in verschillende elementen van het ene niveau naar het andere te doen overgaan. Het Doppler-effect is herkenbaar aan het feit dat de absorptielijnen niet altijd op de frequenties liggen die worden verkregen uit het spectrum van een stationaire lichtbron. Aangezien blauw licht een hogere frequentie heeft dan rood licht, vertonen de spectraallijnen van een naderende astronomische lichtbron een blauwverschuiving en die van een terugwijkende astronomische lichtbron een roodverschuiving.
Van de nabije sterren zijn de grootste radiale snelheden ten opzichte van de zon +308 km/s (BD-15°4041, ook bekend als LHS 52, op 81,7 lichtjaar afstand) en -260 km/s (Woolley 9722, ook bekend als Wolf 1106 en LHS 64, op 78,2 lichtjaar afstand). Positieve radiale snelheid betekent dat de ster zich van de zon verwijdert, negatieve dat hij dichterbij komt.
RadarEdit
Het Doppler effect wordt gebruikt bij sommige soorten radar, om de snelheid van gedetecteerde objecten te meten. Een radarbundel wordt afgevuurd op een bewegend doel – b.v. een auto, omdat de politie radar gebruikt om te hard rijdende automobilisten op te sporen – terwijl deze de radarbron nadert of zich ervan verwijdert. Elke opeenvolgende radargolf moet verder reizen om de auto te bereiken, alvorens te worden weerkaatst en opnieuw gedetecteerd in de buurt van de bron. Naarmate elke golf verder moet reizen, neemt de afstand tussen de golven toe, waardoor de golflengte toeneemt. In sommige situaties wordt de radarbundel afgevuurd op de bewegende auto terwijl deze nadert, in welk geval elke opeenvolgende golf een kleinere afstand aflegt, waardoor de golflengte kleiner wordt. In beide situaties bepalen berekeningen van het dopplereffect nauwkeurig de snelheid van de auto. Bovendien vertrouwt de proximity fuze, die tijdens de Tweede Wereldoorlog is ontwikkeld, op dopplerradar om explosieven op het juiste moment, op de juiste hoogte, op de juiste afstand, enz. tot ontploffing te brengen.
Omdat de dopplerverschuiving zowel de golf beïnvloedt die op het doel invalt als de golf die naar de radar wordt teruggekaatst, is de verandering in frequentie die door een radar wordt waargenomen als gevolg van een doel dat zich met een relatieve snelheid Δ v {\displaystyle \Delta v}
beweegt, tweemaal zo groot als die van hetzelfde doel dat een golf uitzendt: Δ f = 2 Δ v c f 0 {\displaystyle \Delta f={\frac {2\Delta v}{c}}f_{0}}
.
MedicalEdit
Een echocardiogram kan, binnen bepaalde grenzen een nauwkeurige beoordeling geven van de richting van de bloedstroom en de snelheid van het bloed en het hartweefsel op elk willekeurig punt met behulp van het Doppler-effect. Een van de beperkingen is dat de ultrageluidsbundel zo evenwijdig mogelijk met de bloedstroom moet zijn. Snelheidsmetingen maken het mogelijk het gebied en de functie van de hartkleppen te beoordelen, abnormale communicatie tussen de linker- en rechterkant van het hart vast te stellen, bloed door de kleppen te laten stromen (valvulaire regurgitatie) en het hartminuutvolume te berekenen. Contrast-verrijkt ultrageluid met behulp van gas-gevulde microbubble contrast media kan worden gebruikt om de snelheid of andere flow-gerelateerde medische metingen te verbeteren.
Hoewel “Doppler” synoniem is geworden met “snelheidsmeting” in de medische beeldvorming, is het in veel gevallen niet de frequentie-verschuiving (Doppler shift) van het ontvangen signaal dat wordt gemeten, maar de fase-verschuiving (wanneer het ontvangen signaal aankomt).
Snelheidsmetingen van de bloedstroom worden ook gebruikt op andere gebieden van de medische ultrasonografie, zoals de verloskundige ultrasonografie en de neurologie. Snelheidsmeting van de bloedstroom in slagaders en aders op basis van het Doppler-effect is een doeltreffend hulpmiddel voor de diagnose van vasculaire problemen zoals stenose.
StroommetingEdit
Instrumenten zoals de laser Doppler velocimeter (LDV), en de akoestische Doppler velocimeter (ADV) zijn ontwikkeld om snelheden in een vloeistofstroom te meten. De LDV zendt een lichtbundel uit en de ADV een ultrasone akoestische uitbarsting, en meet de Doppler-verschuiving in golflengten van reflecties van deeltjes die met de stroming meebewegen. De werkelijke stroming wordt berekend als functie van de watersnelheid en -fase. Deze techniek maakt niet-intrusieve debietmetingen mogelijk, bij hoge precisie en hoge frequentie.
SnelheidsprofielmetingEdit
Ooit ontwikkeld voor snelheidsmetingen in medische toepassingen (bloedstroom), kan Ultrasone Doppler Velocimetry (UDV) in real-time het volledige snelheidsprofiel meten in vrijwel alle vloeistoffen die zwevende deeltjes bevatten, zoals stof, gasbellen, emulsies. De stromen kunnen pulserend, oscillerend, laminair of turbulent, stationair of transiënt zijn. Deze techniek is volledig niet-invasief.
SatellietenEdit
 Mogelijke Doppler-verschuivingen in afhankelijkheid van de elevatiehoek (LEO: baanhoogte h {Displaystyle h}
 = 750 km). Vast grondstation. |
 Geometrie voor Doppler-effecten. Variabelen: v m o b {Displaystyle v_{mob}}
 is de snelheid van het mobiele station, v S a t {\displaystyle v_{Sat}}  is de snelheid van de satelliet, v r e l , s a t {\displaystyle v_{rel,sat}}  is de relatieve snelheid van de satelliet, ϕ {\displaystyle \phi }  is de elevatiehoek van de satelliet en θ {\displaystyle \theta } is de rijrichting ten opzichte van de satelliet. |
 Dopplereffect op het mobiele kanaal. Variabelen: f c = c λ c {Displaystyle f_{c}={\frac {c}{lambda _{rm {c}}}}}
 is de draaggolffrequentie, f D , m a x = v m o b λ c {Stijl f_{\rm {D,max}}={\frac {v_{\rm {mob}}{\lambda _{\rm {c}}}}}  is de maximale dopplerverschuiving als gevolg van de beweging van het mobiele station (zie Doppler Spread) en f D , S a t {\displaystyle f_{\rm {D,Sat}}  is de extra Doppler-verschuiving als gevolg van de satellietbeweging. |
SatellietnavigatieEdit
De dopplerverschuiving kan worden benut voor satellietnavigatie, zoals in Transit en DORIS.
SatellietcommunicatieEdit
Doppler moet ook bij satellietcommunicatie worden gecompenseerd. Snel bewegende satellieten kunnen een Doppler-verschuiving van tientallen kilohertz hebben ten opzichte van een grondstation. De snelheid, en dus de grootte van het Doppler-effect, verandert door de kromming van de aarde. Dynamische Doppler-compensatie, waarbij de frequentie van een signaal tijdens de transmissie geleidelijk wordt gewijzigd, wordt gebruikt zodat de satelliet een signaal met een constante frequentie ontvangt. Nadat men zich realiseerde dat de Doppler-verschuiving niet in aanmerking was genomen vóór de lancering van de Huygens-sonde van de Cassini-Huygens-missie in 2005, werd de baan van de sonde zodanig gewijzigd dat de uitzendingen van de sonde Titan loodrecht op zijn bewegingsrichting ten opzichte van Cassini naderden, waardoor de Doppler-verschuiving sterk werd verminderd.
De dopplerverschuiving van het directe pad kan worden geschat met de volgende formule:
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 }
waar v m o b {\displaystyle v_{mob}}
de snelheid van het mobiele station is, λ c {\displaystyle \lambda _{\rm {c}}}
is de golflengte van de draaggolf, ϕ {\displaystyle \phi }
de elevatiehoek van de satelliet en θ {\displaystyle \theta }
is de rijrichting ten opzichte van de satelliet.
De extra dopplerverschuiving als gevolg van de beweging van de satelliet kan worden beschreven 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}}}}}
waar v r e l , z a t {\displaystyle v_{\rm {rel,sat}}
is de relatieve snelheid van de satelliet.
AudioEdit
De Leslie-luidspreker, die het meest wordt geassocieerd met en het meest wordt gebruikt in combinatie met het beroemde Hammond-orgel, maakt gebruik van het dopplereffect door een elektrische motor te gebruiken om een akoestische hoorn rond een luidspreker te laten draaien, waardoor het geluid in een cirkel wordt gezonden. Dit resulteert bij het oor van de luisteraar in snel fluctuerende frequenties van een klaviernoot.
VibratiemetingEdit
Een laser Doppler vibrometer (LDV) is een contactloos instrument voor het meten van vibratie. De laserstraal van de LDV wordt op het te meten oppervlak gericht en de trillingsamplitude en -frequentie worden afgeleid uit de Doppler-verschuiving van de frequentie van de laserstraal ten gevolge van de beweging van het oppervlak.
OntwikkelingsbiologieEdit
Tijdens de segmentatie van vertebratenembryo’s gaan golven van genexpressie over het presomitische mesoderm, het weefsel waaruit de voorlopers van de wervels (somieten) worden gevormd. Een nieuwe somiet wordt gevormd bij aankomst van een golf aan het voorste uiteinde van het presomitische mesoderm. Bij de zebravis is aangetoond dat de verkorting van het presomitische mesoderm tijdens de segmentatie leidt tot een Doppler-effect naarmate het voorste uiteinde van het weefsel zich in de golven beweegt. Dit Doppler-effect draagt bij tot de periode van segmentatie.