В 1842 году австрийский физик Доплер, проезжая через железнодорожный переезд, заметил интересный феномен: хотя частота звука от сирены поезда была постоянной, когда поезд приближался, он слышал более высокий звук, а когда поезд удалялся, он слышал более низкий звук. Это явление, при котором наблюдатель слышит звук другой частоты, чем источник звука из-за относительного движения между ними, называется эффектом Доплера или феноменом частотного сдвига.
Эффект Доплера легко понять. Когда поезд стоит на месте, между ним и пассажирами на платформе нет относительного движения, и пассажиры слышат звук сирены в его первоначальной тональности. Когда поезд приближается, передний звуковой фронт сжимается, длина волны укорачивается, что приводит к повышению частоты, и пассажиры слышат более высокий звук сирены; когда поезд удаляется, задний звуковой фронт расширяется, длина волны увеличивается, что приводит к снижению частоты, и пассажиры слышат более низкий звук сирены. Чем быстрее скорость движения источника звука относительно наблюдателя, тем более заметным будет изменение тональности. Обычно отношение скорости движения объекта к скорости звука называют числом Маха, и оно является важным параметром, определяющим интенсивность эффекта Доплера. Чем больше число Маха, тем более выраженным будет эффект Доплера. Когда скорость движения объекта равна скорости звука, наблюдатель не сможет услышать звук, исходящий от движущегося объекта, до того, как он достигнет наблюдателя. Эффект Доплера также наблюдается для ультразвука и света (электромагнитных волн).
Эффект Доплера находит множество применений в различных ситуациях, и одним из них является радар-детектор. На автомагистралях установлены мониторы с радар-детекторами, которые одновременно излучают ультразвуковые волны известной частоты и измеряют частоту отраженных волн. На основании изменения частоты отраженных волн можно точно определить скорость движения транспортного средства. Если водитель получает штраф за превышение скорости на автомагистрали, это означает, что он стал свидетелем точного измерения скорости движения на основе эффекта Доплера.
Врачи также могут использовать эффект Доплера для проверки скорости кровотока в сердце и сосудах. Когда кровь движется в сторону источника ультразвука, длина волны отраженных волн сжимается, что приводит к повышению частоты; когда кровь движется в сторону от источника ультразвука, длина волны отраженных волн увеличивается, что приводит к снижению частоты. На основании величины сдвига частоты полученных ультразвуковых волн можно определить скорость кровотока.