L’effet Doppler, comment ça marche ?

Pourquoi la sirène d’un camion de pompiers est-elle plus aiguë quand il s’approche de vous, et de plus en plus grave une fois qu’il vous a dépassé ? Ce phénomène, apparemment étrange, on l’appelle l’effet Doppler, et il est plus présent dans votre vie que vous ne le pensez.

L’effet Doppler correspond au changement de fréquence d’un signal sonore ou électromagnétique émis par une source en mouvement par rapport à un récepteur fixe, ou par une source fixe par rapport à un émetteur en mouvement.

Les ondes en provenance d’une source qui s’approche arrivent comprimées, et ont donc une fréquence plus élevée, tandis que les ondes en provenance d’une source qui s’éloigne arrivent plus lentement, et ont donc une fréquence plus basse.

Avant toute chose, reprenons quelques bases qui peuvent être utiles : le son est une onde qui se propage dans l’air. Quand les vagues de l’onde sont courtes et rapprochées, la fréquence est élevée, et notre oreille interprète un son aigu. Quand, au contraire, les vagues de l’onde sont plus espacées, la fréquence est basse et notre oreille interprète un son grave.

Comment ça marche, concrètement ?

Nous l’avons dit, pour que l’effet Doppler s’observe, il faut qu’un objet soit en mouvement par rapport à un autre. Pour comprendre, prenons une situation initiale dans laquelle la source émettrice A et le récepteur B sont immobiles l’un par rapport à l’autre.

Ici, les parenthèses permettent de représenter la fréquence de l’onde sonore. Peu importe où se place le récepteur B par rapport à la source A : puisqu’ils sont tous les deux immobiles, la fréquence mesurée par B sera toujours identique à celle émise par A. Donc, que B se trouve devant ou derrière A n’a ici pas d’incidence.

( ( ( ( ( ( ( ( A ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )B

OU

( ( ( ( (B( ( ( ( A ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )

Maintenant (ci-dessous), imaginons que A se déplace vers B, avançant de la gauche vers la droite. Ici, puisque A se rapproche de B, la distance entre les fronts d’onde est comprimée à l’avant de A, et donc la fréquence des ondes est plus élevée (c’est-à-dire que la distance entre chaque onde diminue) et, en conséquence, le son gagne en hauteur et est donc plus aigu.

⇉⇉ (   (   (   (   (   (   (   (   (   (   (   A)))))))B

Une fois que la source A a dépassé le récepteur B, les ondes émises par A atteignent le récepteur B plus lentement, la fréquence de l’onde diminue, le son est donc plus grave.

B  (   (   (   (   (   (   (   (   (   A)))))))) ⇉⇉

Une autre façon de vous figurer l’effet Doppler est de faire l’exercice de pensée suivant :

Vous êtes sur un quai, immobile, face aux rails. Votre ami est dans un train qui va passer devant vous, allant de votre gauche à votre droite. Votre ami vous lance à intervalle régulier, toutes les dix secondes, une balle de tennis. A mesure que le train se rapproche de vous, les balles mettront de moins en moins de temps à vous parvenir, puisque la distance qui vous sépare de votre ami sera de plus en plus courte, et ce même si votre ami continue d’envoyer les balles au même intervalle de dix secondes.

Une fois que le train vous aura dépassé, à mesure qu’il s’éloignera, les balles mettront de plus en plus de temps à vous parvenir. Le temps que met la balle à vous parvenir correspond, dans cette analogie, à la fréquence de l’onde : elle est plus courte à mesure que votre ami approche, plus longue à mesure qu’il s’éloigne.

Un peu d’histoire

L’effet Doppler a été mis en évidence pour la première fois en 1842 par le mathématicien et astronome autrichien Christian Doppler. Dans une conférence intitulée “La lumière colorée des étoiles doubles et de quelques astres du ciel”, il démontre que la longueur d’onde du son ou de la lumière peut être altérée par le mouvement relatif de la source par rapport à l’observateur.

Initialement, le souhait de Christian Doppler est d’expliquer la couleur des étoiles, parce qu’il pense qu’elles sont toutes blanches par nature et que leurs colorations apparentes sont dues à la variation de la fréquence en fonction du fait qu’elles s’éloignent ou se rapprochent de nous.

Sans présenter de vérifications expérimentales, Christian Doppler propose tout de même une description mathématique du phénomène qui veut que la fréquence d’une onde change quand la source ou le récepteur sont en mouvement relatif l’un par rapport à l’autre.

En 1845, le scientifique hollandais Christoph Buys Ballot, pas très convaincu que la théorie de Doppler s’applique effectivement pour expliquer la couleur des étoiles, la consolide tout de même sur le plan acoustique.

Pour ce faire, il réalise l’expérience suivante : il place des musiciens sur un quai de gare et, en second lieu, des trompettistes dans une locomotive qui passe devant les premiers musiciens. Les trompettistes sont chargés d’émettre une même note tout du long, le temps que la locomotive passe devant les musiciens qui sont sur le quai. Les musiciens constatent alors en effet que le son est plus aigu à mesure que la locomotive approche, et de plus en plus grave à mesure qu’elle s’éloigne.

En 1848, le français Hippolyte Fizeau, qui n’a pas connaissance des travaux de Doppler, arrive à la même conclusion que ce dernier, tant pour les ondes lumineuses que pour les ondes sonores. Il montre toutefois que dans le cas de la lumière, la couleur ne change pas, mais que ce sont en fait les positions des raies spectrales qui changent.

“Un mouvement très rapide et comparable à la vitesse de la lumière, attribué au corps lumineux ou à l’observateur, aura pour effet d’altérer la longueur d’ondulation de tous les rayons simples qui composent la lumière reçue dans la direction du mouvement ; cette longueur sera augmentée ou diminuée suivant le sens du mouvement. Considéré dans le spectre, cet effet se traduira par un déplacement des raies correspondant au changement de la longueur d’ondulation.” – Hippolyte Fizeau

Quelles applications pratiques ?

Comprendre ceci a eu des implications importantes, notamment en astronomie. L’effet Doppler s’applique à la lumière, qui est une onde électromagnétique. La fréquence et la longueur d’onde apparentes de la lumière dépendent de la vitesse relative de la source par rapport à l’observateur. Ainsi, lorsqu’une source lumineuse s’approche de nous, la longueur d’onde apparente de son rayonnement diminue, sa lumière se déplace donc vers la partie bleue du spectre visible : on parle de décalage vers le bleu. Lorsqu’une source lumineuse s’éloigne, la longueur d’onde augmente : on parle de décalage vers le rouge. Ainsi, grâce à l’effet Doppler, ou Doppler-Fizeau (les deux termes sont valables), on peut déterminer la vitesse d’approche ou d’éloignement des objets célestes (étoiles, galaxies, quasars, etc.).

C’est également l’effet Doppler qui est en jeu dans le fonctionnement des radars de vitesse. Un radar envoie une onde continue, qui est réfléchie par toute cible passant dans la direction donnée. Réfléchie par la cible, puis captée par l’antenne, l’onde retour est transmise au récepteur. L’onde retour possède une fréquence légèrement différente de celle émise par le radar : en mesurant la différence de fréquence entre l’onde émise et celle retournée, on peut déterminer la vitesse de la cible.

L’effet Doppler est également utilisé en médecine. L’échographie Doppler, ou écho-doppler, est un examen d’imagerie médicale qui permet d’étudier ou de surveiller le fonctionnement d’un organe et de calculer la vitesse et la direction des globules rouges.

Ce ne sont là que quelques exemples des utilisations pratiques de l’effet Doppler, qui est aussi utilisé en météorologie, ou encore en volcanologie !

Si vous souhaitez manipuler l’effet Doppler pour mieux le comprendre, l’université de Nantes vous propose ici un outil idéal : https://www.sciences.univ-nantes.fr/sites/genevieve_tulloue/Ondes/son/doppler.php

Fanny Aici