Usuário(a):Rpez/Efeito Doppler

Som
Onda
Amplitude
Fase
Frente de onda
Frequência fundamental
Harmônica
Frequência
Hertz
Altura tonal
Oitava
Velocidade do som
Efeito Doppler

Uma animação ilustrando como o efeito Doppler age no som do carro.

O efeito Doppler, em homenagem ao físico austríaco Christian Doppler, que propôs a teoria em 1842, em Praga, é a mudança na frequência de uma onda (ou outro evento periódico) para um observador em movimento em relação à sua fonte. É comumente ouvida quando um veículo soando uma sirene ou buzina se aproxima, passa e se afasta de um observador. A frequência recebida é maior (em comparação com a frequência emitida) durante a aproximação, é idêntica no instante da passagem, e é inferior durante o afastamento.

As alterações relativas na frequência podem ser explicadas como se segue. Quando a fonte de ondas está se movendo para o observador, cada crista de onda sucessiva é emitida a partir de uma posição mais próxima do observador do que a onda anterior. Por conseguinte, cada frente de onda leva um pouco menos para chegar até o observador do que o da fase precedente. Por conseguinte, o tempo entre a chegada dos picos das ondas sucessivas no observador é reduzida, causando um aumento da frequência. Enquanto eles estão viajando, a distância entre as frentes de ondas sucessivas é reduzida, por isso a ondas "agrupar-se". Inversamente, se a fonte de ondas é afastando-se do observador, cada onda é emitido a partir de uma posição mais distante do observador do que a onda anterior, de modo que o tempo de chegada entre sucessivas ondas é aumentada, reduzindo a frequência. A distância entre as frentes de onda sucessivas é aumentada, para que as ondas de "espalhar". Para ondas que se propagam num meio, tal como as ondas de som, a velocidade do observador e da fonte são em relação ao meio em que as ondas são transmitidas. O efeito de Doppler total pode, portanto, resultar a partir do movimento da fonte, o movimento do observador, ou de movimento do meio. Cada um destes efeitos são analisados ​​separadamente. Para ondas que não necessitam de um meio, tal como a luz ou gravidade na relatividade geral, apenas a diferença relativa de velocidade entre o observador e a fonte deve ser considerada.

Ilustração das ondas sonoras emitidas de um objecto em movimento.

Desenvolvimento

Doppler propôs pela primeira vez o efeito, em 1842, em seu tratado "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" (Sobre a luz colorida das estrelas binárias e algumas outras estrelas dos céus). A hipótese foi testada para ondas sonoras por Buys Ballot, em 1845. ] Ele confirmou que o ouvido recebeu uma frequência que era mais elevada do que a freqüência emitida quando a fonte de som se aproximou dele, e menor do que a freqüência emitida quando a fonte de som recuou dele. Hippolyte Fizeau descobriu independentemente o mesmo fenômeno em ondas eletromagnéticas em 1848 (na França, o efeito é as vezes chamado de "l'effet Doppler-Fizeau", mas esse nome não foi aprovado pelo resto do mundo pois a descoberta de Fizeau era de três anos depois de Doppler). Na Grã-Bretanha, John Scott Russell fez um estudo experimental do efeito Doppler (1848), aperfeiçoando-o.

Geral

Na física clássica, onde as velocidades da fonte e do receptor em relação ao meio são menores do que a velocidade das ondas no meio, a relação entre a frequência observada e frequência emitida é dada por:

$F=F_{o}{\frac {c\pm V_{r}}{c\pm V_{s}}}$

onde

 $c$ é a velocidade das ondas no meio;  $V_{r}$ é a velocidade do receptor em relação ao meio; positivo se o receptor está a avançar para a origem (e negativos no outro sentido);  $V_{s}$ é a velocidade da fonte em relação ao meio; positivo se a fonte está se movendo para fora do receptor (e negativos no outro sentido).

A frequência é diminuída se está afastando-se do outro. Se a fonte se aproxima do observador em ângulo (mas ainda com uma velocidade constante), a frequência observada que é primeiro ouvida é maior do que a frequência emitida pelo objeto. A partir daí, há uma diminuição da frequência monotônica observada, uma vez que se aproxima do observador, através da igualdade quando ela está mais próximo do observador, e uma redução contínua monotônica quando se afasta do observador. Quando o observador está muito perto do caminho do objeto, a transição de alta para baixa frequência é muito abrupta. Quando o observador está longe do caminho do objeto, a transição de alta para baixa freqüência é gradual. Se as velocidades e são pequenas em comparação com a velocidade da onda, a relação entre a frequência observada e frequência emitida é de cerca de:

Frequência Observada	Variação de Frequência
$f=\left(1+{\frac {\Delta v}{c}}\right)f_{0}$	$\Delta f={\frac {\Delta v}{c}}f_{0}$

onde: $\Delta f=f-f_{0}\,$

$\Delta v=v_{\text{r}}-v_{\text{s}}\,$ é a velocidade do receptor em relação à fonte; é positiva quando a fonte e o receptor estão em movimento em relação uns aos outros.

Análise

A freqüência dos sons que emite a fonte não muda. Para entender o que acontece, considere a seguinte analogia. Alguém joga uma bola a cada segundo na direção de um homem. Suponha que as bolas vão viajar com velocidade constante. Se o lançador está parado, o homem receberá uma bola a cada segundo. No entanto, se o atirador está se movendo em direção ao homem, ele vai receber bolas mais freqüência, porque as bolas vão estar fora menos espaçados. O inverso é verdadeiro se o atirador está se movendo para longe do homem. Por isso, é na verdade, o comprimento de onda, que é afetada e, como conseqüência, a freqüência recebida também é afetada. Também pode-se dizer que a velocidade da onda permanece constante enquanto que as alterações de comprimento de onda, daí frequência também muda. Se uma fonte em movimento está emitindo ondas com uma freqüência real, em seguida, um parente observador estacionário ao meio detecta as ondas com uma freqüência dada pela:

$F=F_{o}{\frac {c}{c\pm V_{s}}}$

Uma análise semelhante para um observador em movimento e uma fonte estacionária produz a frequência observada:

$F=F_{o}{\frac {c\pm V_{r}}{c}}$

Estes podem ser generalizados para a equação:

$F_{o}=F_{f}{\frac {V\pm V_{r}}{V\mp V_{s}}}$

• $F_{o}={\mbox{Frequência que o observador escuta}}\,\!$
• $F_{f}={\mbox{Frequência real da fonte}}\,\!$
• $V={\mbox{Velocidade da onda}}\,\!$
• $V_{r}={\mbox{Velocidade do observador (positiva ao se aproximar da fonte, negativa ao se afastar)}}\,\!$
• $V_{s}={\mbox{Velocidade da fonte (Positiva ao se afastar, negativa ao se aproximar do observador)}}\,\!$

Um efeito interessante foi predito por Lord Rayleigh, em seu livro clássico sobre o som: se a fonte está se movendo em duas vezes a velocidade do som, um observador por trás da fonte iria ouvir uma peça musical no tempo correto e melodia, mas para trás.

Aplicações

Medição de temperatura

Outro uso do efeito de Doppler, que é encontrado principalmente no plasma, é a estimativa da temperatura de um gás (ou temperatura de iões de um plasma), que emitem uma linha espectral. Devido ao movimento térmico dos emissores, a luz emitida por cada uma das partículas pode ser ligeiramente vermelha ou azul-deslocada e, o efeito líquido é uma ampliação da linha. Esta forma de linha é chamado "perfil de Doppler" e a largura da linha é proporcional à raiz quadrada da temperatura das espécies de emissores, o que permite uma linha espectral ser usada para inferir a temperatura.

Radar

O efeito de Doppler é utilizado em alguns tipos de radares, para medir a velocidade dos objetos detectados. Um feixe de radar é acionado em um alvo em movimento - por exemplo, um carro, tal como a polícia usa o radar para detectar excesso de velocidade - quando se aproxima ou se afasta da fonte do radar. Cada onda de radar sucessivo tem de viajar mais longe para atingir o carro, antes de ser refletida e re-detectada próxima da fonte. À medida que cada onda tem de se mover mais, a distância entre cada comprimento onda aumenta. Em algumas situações, o feixe de radar é disparado quando o carro se aproxima, caso em que cada comprimento de onda sucessiva percorre uma distância menor, diminuindo-o. Em qualquer das situações, os cálculos do efeito Doppler determinar com precisão a velocidade do carro.

Medição de fluxo

Instrumentos tais como o laser de Doppler velocímetro (LDV) e Doppler acústico velocímetro (ADV) foram desenvolvidos para medir as velocidades de fluxo de um fluido. A LDV emite um feixe de luz e emite uma explosão ADV acústica ultra-som, e mede o efeito Doppler em comprimentos de onda de reflexões a partir de partículas que se movem com o fluxo. O fluxo real é calculado como uma função da velocidade da água e da fase.

Medição de perfil de velocidade

Desenvolvido originalmente para medições de velocidade em aplicações médicas (fluxo sangüíneo), Ultrasonic doppler velocimetria (UDV) pode medir em tempo real do perfil de velocidade do tempo completa em quase todos os líquidos que contenham partículas em suspensão, como poeira, bolhas de gás, emulsões. Fluxos podem ser pulsante, laminar, oscilante ou turbulento, estacionário ou transiente. Esta técnica é totalmente não invasivo.

Comunicação por satélite

Rápidos, satélites móveis podem ter um desvio de Doppler das dezenas de quilohertz relativos a uma estação terrestre. A velocidade, assim magnitude do efeito Doppler, muda devido à curvatura da terra. Dinâmica de compensação de Doppler, em que a frequência de um sinal é mudado várias vezes durante a transmissão, é utilizado para o satélite recebe um sinal de frequência constante.

Acústica submarina

Em aplicações militares o efeito Doppler é usado para determinar a velocidade de um submarino utilizando sistemas de sonar passivas e ativas. Como um submarino passa por um sonobuoy passivo, as frequências estáveis ​​submetidos a um deslocamento de Doppler, e a velocidade e alcance da sonobuoy pode ser calculada. Se o sistema de sonar é montado sobre um navio em movimento ou outro submarino, então a velocidade relativa pode ser calculada.

Áudio

O alto-falante Leslie, é predominantemente utilizado com o órgão Hammond B-3, e tira vantagem do efeito Doppler, usando um motor elétrico para rodar uma corneta acústica em torno de um altifalante, enviando o seu som em círculo. Isso resulta na orelha do ouvinte, frequências rapidamente flutuantes de uma nota do teclado.

Medição de vibrações

Um laser Doppler vibrômetro (LDV) é um método sem contato para medição das vibrações. O feixe de laser a partir da LDV é dirigido contra a superfície de interesse, e a amplitude de vibração e frequência são extraídos do desvio Doppler da frequência do feixe de laser, devido ao movimento da superfície.

Ver também

• Velocimetria laser

Referências

• Doppler, C. J. (1842). . Publisher: Abhandlungen der Königl. Böhm. Gesellschaft der Wissenschaften (V. Folge, Bd. 2, S. 465-482) [Proceedings of the Royal Bohemian Society of Sciences (Part V, Vol 2)]; Prague: 1842 (Reissued 1903). Some sources mention 1843 as year of publication because in that year the article was published in the Proceedings of the Bohemian Society of Sciences. Doppler himself referred to the publication as "Prag 1842 bei Borrosch und André", because in 1842 he had a preliminary edition printed that he distributed independently.
• Claus Müller: Grundprobleme der mathematischen Theorie elektromagnetischer Schwingungen. Springer.
• K. Küpfmüller und G. Kohn: Theoretische Elektrotechnik und Elektronik, Eine Einführung. 16. Auflage. Springer, ISBN 3-540-20792-9.
• Károly Simonyi: Theoretische Elektrotechnik. 10. Auflage. Barth Verlagsgesellschaft, ISBN 3-335-00375-6.