Effet Doppler

Un effet qui a bouleversé le monde

Même dans ses rêves les plus fous, le visionnaire Christian Doppler aurait eu du mal à imaginer l’importance que sa découverte aurait un jour pour toute l’Humanité. Quelles vagues provoquerait un jour son ouvrage « Über das farbige Licht der Doppelsterne » (1842) (Sur les couleurs de la lumière des étoiles doubles). Aucun effet n’a changé notre vision du monde de manière aussi décisive que le principe de Doppler.

Citations sur l’effet Doppler

O. Univ.-Prof. Dr. Anton Zeilinger, 2003: Lors d’un symposium organisé à Salzbourg à l’occasion du 200e anniversaire de la naissance de Doppler, le président de l’Académie autrichienne des sciences a déclaré que l’effet Doppler était « l’effet du Millénaire ».

Albert Einstein, 1909: « Quelle que soit la forme que prendra la théorie des processus électromagnétiques, le principe de Doppler sera conservé dans tous les cas ».

Vidéo explicative


Mit dem Klick auf das Bild werden durch den mit uns gemeinsam Verantwortlichen Youtube (Google Ireland Limited) das Video abgespielt, auf Ihrem PC Skripte geladen und Cookies für die Dauer von bis zu 2 Jahren gespeichert sowie personenbezogene Daten erfasst. Mit Hilfe der Cookies ist Youtube in der Lage, die Aktivitäten von Personen im Internet zu verfolgen und Werbung zielgruppengerecht auszuspielen. Datenschutzerklärung von Youtube
When you click on the image, Youtube (Google Ireland Limited), which is jointly responsible with us, plays the video, loads scripts on your PC, stores cookies for up to 2 years and collects personal data. With the help of the cookies, Youtube is able to track the activities of people on the Internet and to play out advertising tailored to the target group. Privacy policy of Youtube
When you click on the image, Youtube (Google Ireland Limited), which is jointly responsible with us, plays the video, loads scripts on your PC, stores cookies for up to 2 years and collects personal data. With the help of the cookies, Youtube is able to track the activities of people on the Internet and to play out advertising tailored to the target group. Privacy policy of Youtube
Quando clicchi sull'immagine, Youtube (Google Ireland Limited), che è corresponsabile con noi, riproduce il video, carica gli script sul tuo PC, memorizza i cookies per due anni e raccoglie dati personali. Con l'aiuto dei cookies, Youtube è in grado di tracciare le attività delle persone su Internet e di riprodurre pubblicità su misura per specifici gruppi target. Informativa sulla privacy di Youtube
When you click on the image, Youtube (Google Ireland Limited), which is jointly responsible with us, plays the video, loads scripts on your PC, stores cookies for up to 2 years and collects personal data. With the help of the cookies, Youtube is able to track the activities of people on the Internet and to play out advertising tailored to the target group. Privacy policy of Youtube
Kliknutím na obrázek se přehraje video prostřednictvím společně s námi odpovědného subjektu YouTube (Google Ireland Limited), na vašem PC se načtou skripty, uloží se cookies až na dobu 2 let a zaznamenají se osobní údaje. Pomocí cookies je subjekt YouTube schopen sledovat aktivity osob na internetu a vysílat k cílovým skupinám reklamu. Prohlášení o ochraně osobních údajů YouTube
When you click on the image, Youtube (Google Ireland Limited), which is jointly responsible with us, plays the video, loads scripts on your PC, stores cookies for up to 2 years and collects personal data. With the help of the cookies, Youtube is able to track the activities of people on the Internet and to play out advertising tailored to the target group. Privacy policy of Youtube
En cliquant sur l'image, Youtube (Google Ireland Limited), responsable conjointement avec nous, lit la vidéo, charge des scripts sur votre PC, enregistre des cookies pour une durée pouvant aller jusqu'à 2 ans et collecte des données personnelles. Grâce aux cookies, Youtube est en mesure de suivre les activités des personnes sur Internet et de diffuser de la publicité en fonction du groupe cible. Déclaration de protection des données de Youtube

La physique de l’effet Doppler

L’effet Doppler décrit le changement de fréquence d’une onde en fonction de l’état de mouvement de son émetteur et/ou de son récepteur. L’exemple classique pour expliquer l’effet Doppler est celui d’une ambulance qui passe devant un observateur. En raison du mouvement de l’ambulance, les ondes sonores sont comprimées devant la voiture et dilatées derrière elle. L’observateur perçoit alors cet effet par la différence de hauteur du son de la sirène : avant que l’ambulance ne l’atteigne, le son est plus aigu, dès que la voiture s’éloigne de lui, le son est plus grave.

Der Doppler Effekt: Einsatzfahrzeug mit Schallwellen

Selon que l’émetteur et/ou le récepteur se déplacent dans un milieu – comme l’air – cette variation de fréquence est plus ou moins importante. Dans son ouvrage de référence « Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels » publié en 1842 (sur la lumière colorée des étoiles doubles et autres astres du ciel), Doppler a donné les formules suivantes pour le calcul des fréquences perçues par le récepteur.

Dans ces formules sont définis
   la fréquence perçue par le récepteur
  la fréquence émis par l‘émetteur
  la vitesse du récepteur relative au milieu
   la vitesse de l’émetteur relative au milieu et
   la vitesse de propagation de l’onde dans ce milieu (vitesse du son)

Cas 1: Le récepteur est au repos, l’émetteur se déplace :

Cas 2: L’émetteur est au repos, le récepteur se déplace :

Ces deux équations décrivent l’effet Doppler classique. L’effet du changement de fréquence dépend donc de la vitesse à laquelle l’émetteur et le récepteur se déplacent par rapport au milieu de propagation de l’onde. Il s’agissait d’une découverte révolutionnaire à l’époque de Doppler. Doppler écrit dans son travail original : « C’est de ces déterminations purement subjectives, mais non du fait objectif, que dépendent la couleur et l’intensité d’une sensation lumineuse ou la hauteur et la puissance d’un son quelconque ».

L’effet Doppler et la lumière

Christian Doppler a supposé que cet effet s’appliquait à tous les types d’ondes. L’hypothèse scientifique de l’époque était que la lumière avait également besoin d’un milieu de propagation, dont la nature n’était toutefois pas connue et que l’on appelait « éther ». Ce n’est qu’en 1881 et 1887 que les physiciens Albert A. Michelson et Edward W. Morley ont pu démontrer expérimentalement qu’un tel éther n’existait pas en tant que milieu de propagation de la lumière (expérience de Michelson-Morley). On sait aujourd’hui que l’effet Doppler classique n’est valable que pour les ondes qui se propagent dans un milieu.
CC: Tanja Kühnel / aus dem Buch
CC: Tanja Kühnel / du livre “Christian Doppler – Der für die Menschheit bedeutendste Salzburger” (Christian Doppler – Le salzbourgeois le plus marquant pour l’Humanité) de Clemens M. Hutter

L’effet Doppler se produit néanmoins aussi pour les ondes électromagnétiques comme la lumière, qui n’ont pas besoin d’un support. Il en résulte également un décalage de couleur – vers le bleu lorsque l’émetteur se rapproche du récepteur et que les ondes sont « écrasées », et vers le rouge dans le cas inverse, parce que les ondes sont « étirées » (voir illustration).

Pour les ondes électromagnétiques, cet effet ne dépend toutefois pas du mouvement relatif entre le milieu porteur et le récepteur ou l’émetteur, mais uniquement du mouvement relatif entre le récepteur et l’émetteur. Pour cette raison, l’effet Doppler pour les ondes lumineuses est appelé effet Doppler relativiste. Pour les ondes electromagnétiques la relation entre la fréquence reçue et la fréquence émise s’établit de la manière suivante :

Dans cette formule pour l’effet Doppler relativiste apparait la constante pour la vitesse de la lumière soit 299 792 km/s et la vitesse relative entre l’émetteur et le récepteur.

Utilisations pratiques des formules Doppler

Dans les exemples suivants, nous considérons deux cas particuliers de propagation d’une onde sonore dans l’air, en utilisant les variables expliquées ci-dessus pour les fréquences et les vitesses correspondantes dans la formule Doppler.

Cas 1 : le récepteur est au repos par rapport à l’air et l’émetteur (source du son) se déplace par rapport au récepteur vers (-) ou depuis (+).

La formule Doppler s’énonce ici :

Exemple : un automobiliste (émetteur des ondes sonores) passe à 130 km/h (~36 m/s) devant un piéton (récepteur des ondes sonores) qui se trouve au bord de la route. Comme l’automobiliste et le piéton se connaissent bien, l’automobiliste salue le piéton d’un long coup de klaxon. La hauteur du son du klaxon est de 1 000 hertz. Quelle est la hauteur du son perçu par le piéton ?

Der Doppler Effekt: Ausbreitung der Schallwellen

A l’approche de la voiture, le piéton entend un son d’une fréquence de :

Si la voiture s’éloigne du récepteur, la hauteur du son diminue :

Ainsi, la hauteur du son augmente de 118 hertz à l’approche de la voiture et diminue de 96 hertz lorsque celle-ci s’éloigne du piéton. Le son de 1 000 hertz correspond approximativement au « do aigu », qui se situe deux degrés au-dessus de la portée de cinq notes. Dans ce cas, les changements de hauteur de son à l’approche et à la poursuite du trajet de la voiture sont légèrement différents et représentent environ un demi-ton.

Cas 2 : l’émetteur est au repos par rapport à l’air et le récepteur se déplace à une vitesse vE par rapport à l’émetteur vers (+) ou depuis (-).

La formule Doppler s’énonce ici :

Exemple : l’automobiliste est maintenant le récepteur et passe à 130 km/h (~36 m/s) devant la personne qu’il connaît et qui se trouve au bord de la route (émetteur). Il se trouve que ce dernier a un klaxon sur lui et accueille le passant avec un long son de klaxon d’une hauteur de 1 000 hertz.

Le conducteur entend le son qui se rapproche avec une fréquence de :

En s’éloignant du piéton il perçoit un son d’une fréquence de :

Dans ce cas, la modification de la hauteur du son perçue par le récepteur (l’automobiliste) est la même à l’approche et à l’éloignement de la voiture de la personne connue qui klaxonne, à savoir 106 hertz à chaque fois.

La raison de la différence des changements de fréquence dans ces deux cas est que le son a besoin d’un milieu de propagation. Dans ces exemples, il s’agit de l’air ambiant. Dans le cas 1, l’émetteur (la source sonore) se déplace par rapport à l’air, dans le cas 2, c’est le récepteur.

Basé sur le livre :

Christian Doppler – Der für die Menschheit bedeutendste Salzburger, Clemens M. Hutter, Edition Anton Pustet 2017