Un jour de 1842, l’astrophysicien autrichien Doppler passait par un passage à niveau lorsqu’un train a soudainement passé à côté de lui en klaxonnant. Il a alors remarqué un phénomène intéressant : bien que la fréquence du klaxon soit constante, il l’a entendu plus aigu lorsque le train s’est approché et plus grave lorsqu’il est parti. Ce phénomène, où l’observateur entend une fréquence différente de celle de la source en raison du mouvement relatif entre elles, est appelé l’effet Doppler ou phénomène de décalage de fréquence.
L’effet Doppler est facile à comprendre. Lorsque le train est à l’arrêt, il n’y a pas de mouvement relatif entre lui et les passagers sur la plateforme, et les passagers entendent le klaxon à sa fréquence originale. Lorsque le train arrive, les ondes sonores à l’avant sont compressées, ce qui raccourcit leur longueur d’onde et augmente leur fréquence, rendant le klaxon plus aigu pour les passagers. Lorsque le train s’éloigne, les ondes sonores à l’arrière ont plus d’espace pour se propager, ce qui allonge leur longueur d’onde et réduit leur fréquence, rendant le klaxon plus grave pour les passagers. Plus la vitesse de la source par rapport à l’observateur est élevée, plus le changement de fréquence est prononcé. Le rapport entre la vitesse de l’objet et celle du son est appelé le nombre de Mach, un paramètre important pour déterminer l’intensité de l’effet Doppler. Plus le nombre de Mach est élevé, plus l’effet Doppler est prononcé. Lorsque l’objet se déplace à la même vitesse que le son, l’observateur ne peut plus entendre le son émis par l’objet avant qu’il n’arrive à sa position. Les ultrasons et la lumière (ondes électromagnétiques) subissent également l’effet Doppler.
L’effet Doppler a de nombreuses applications dans différents domaines. Les radars de vitesse installés sur les autoroutes, par exemple, émettent des ultrasons à une fréquence connue vers les véhicules en mouvement, puis mesurent la fréquence des ondes réfléchies. En fonction de la variation de la fréquence des ondes réfléchies, ils peuvent déterminer avec précision la vitesse du véhicule. Si un conducteur reçoit une amende pour excès de vitesse sur une autoroute, cela signifie qu’il a fait l’objet d’une mesure de vitesse précise basée sur l’effet Doppler.
Les médecins peuvent également utiliser l’effet Doppler entre une source d’ultrasons et le sang en mouvement pour vérifier la vitesse du flux sanguin. Lorsque le sang se dirige vers la source d’ultrasons, la longueur d’onde des ondes réfléchies est compressée, ce qui augmente leur fréquence. Lorsque le sang s’éloigne de la source d’ultrasons, la longueur d’onde des ondes réfléchies s’allonge, ce qui réduit leur fréquence. En fonction de la quantité de décalage de fréquence des ultrasons reçus, ils peuvent déterminer la vitesse du flux sanguin.