1842년의 어느 날, 오스트리아의 물리학자 도플러가 철도 교차점을 지나가던 때에 기차가 경보를 울리며 지나갔습니다. 그는 흥미로운 현상을 관찰했습니다. 기차가 오는 동안 그는 더 높은 주파수의 소리를 들었고, 기차가 떠나는 동안에는 더 낮은 주파수의 소리를 들었습니다. 이러한 현상은 소리원과 관찰자 사이에 상대적인 운동이 있을 때 관찰자가 들은 소리의 주파수가 소리원의 주파수와 다르게 되는 것이며, 도플러 효과나 주파수 변화 현상이라고 불립니다.
도플러 효과는 이해하기 쉽습니다. 기차가 정지하면 기차와 플랫폼에 있는 승객 사이에 상대적인 운동이 없고, 승객은 기차의 경보 소리를 그대로 들을 수 있습니다. 기차가 오는 동안 앞에 있는 소리파장은 압축되어 주파수가 높아져서 승객은 더 높은 주파수의 소리를 들을 것이고, 기차가 떠나는 동안 뒤에 있는 소리파장은 더 멀리 가서주파수가 낮아져서 승객은 더 낮은 주파수의 소리를 들을 것입니다. 소리원이 관찰자에 비해 더 빠르게 움직일수록 주파수의 변화는 더 분명해집니다. 물체의 이동 속도와 음속의 비율을 마하 수라고 하며, 이는 도플러 효과의 강도를 결정하는 중요한 매개변수입니다. 마하 수가 커질수록 도플러 효과가 더 분명해집니다. 물체의 이동 속도가 음속과 같을 때, 관찰자는 물체가 도착하기 전에 그 소리를 들을 수 없습니다. 초음파와 빛(전자파)도 도플러 효과를 가지고 있습니다.
도플러 효과는 여러 상황에서 다양하게 적용되며, 도플러 속도 계는 그중 하나입니다. 고속도로에는 도플러 속도 계가 설치되어 있는데, 이 계는 운동하는 차량에게 알려진 주파수의 초음파를 발사하면서, 반사된 파장의 주파수를 측정합니다. 반사된 파장의 주파수 변화 값에 따라 차량의 속도를 정확하게 알 수 있습니다. 만약 운전자가 고속도로에서 속도 제한을 위반하고 벌금을 받는다면, 그는 도플러 효과에 기반한 정확한 속도 측정을 받은 것입니다.
의사는 혈류의 흐름 속도를 확인하기 위해 초음파 소스와 운동하는 혈류 사이에 발생하는 도플러 효과를 이용할 수 있습니다. 혈류가 초음파 소스로 향할 때, 반사된 파장의 파장이 압축되어 주파수가 높아지고, 혈류가 초음파 소스에서 멀리 갈 때는 파장이 길어져 주파수가 낮아집니다. 받은 초음파의 주파수 변화 양에 따라 혈류의 속도를 측정할 수 있습니다.