اثر دوپلر چیست و چه کاربردهایی دارد؟

قطعا برای شما هم جالب است که بدانید چرا وقتی یک آمبولانس از ما دور می شود رفته رفته صدای کمتری از آن به گوش می رسد. اثر دوپلر علت ایجاد این پدیده جالب و در عین حال بسیار کاربردی است که آشنایی با آن برای هر مهندسی الزامی است. در این پست با این پدیده مهم آشنا میشویم.

اثر دوپلر: اثر دوپلر هر زمان که منبع موج (به عنوان مثال تولید کننده صدا) نسبت به دریافت کننده در حال حرکت باشد مشاهده می شود. اثر دوپلر را می توان به عنوان تاثیر ایجاد شده روی فرکانس موج توسط یک منبع متحرک توصیف کرد. در اثر دوپلر دریافت کننده زمانی که منبع موج به او نزدیک شده یا دور می شود فرکانس های متفاوتی را دریافت می کند اما این دریافت متفاوت به دلیل تغییر واقعی در فرکانس منبع ایجاد نمی شود. اگر چه به دلیل تجربه اثر دوپلر در امواج صوتی بیشتر آشنا هستیم اما اثر دوپلر در هر نوع موج قابل مشاهده است. به عنوان مثال: موج آب- موج صدا- موج نور

هنگامی که امواجی مانند امواج صوتی یا رادیویی از میان دو شی عبور می کنند، اگر یکی از آن ها یا هر دو آن ها در حال حرکت باشند، طول موج تغییر پیدا می کند. به این تغییر اثر دوپلر گفته می شود. در حقیقت اثر دوپلر باعث می شود که فرکانس دریافتی توسط گیرنده، در صورت وجود حرکت و تغییر فاصله بین مبدا و مقصد، از فرکانس ارسال شده متفاوت باشد.

به عنوان مثال زمانی که یک آمبولانس یا وسیله نقلیه اضطراری به سمت شما در بزرگراه حرکت می کند. با نزدیک شدن ماشین به شما صدای آژیر (اندازه فرکانس آژیر) زیاد شده و پس از عبور ماشین قدرت صدای آژیر پایین می آید. این دقیقا همان اثر دوپلر است که سبب ایجاد تغییر ظاهری در فرکانس موج صوتی تولید شده توسط یک منبع متحرک می شود.

تاریخچه اثر دوپلر: اولین بار در سال 1842 اثر دوپلر توسط ریاضی دان و فیزیکدان اتریشی به نام یوهان دوپلر پیشنهاد شد. دوپلر ضمن مشاهده ستارگان دور دست، چگونگی تغییر رنگ نور ستاره را با حرکت ستاره در مقاله خود توضیح داد. همچنین این فرضیه برای امواج صوتی توسط Buys Ballot در سال 1845 مورد آزمایش قرار گرفت. او دریافت که در زمان نزدیک شدن منبع صدا به او، صدا و فرکانس ساطع شده بالاتر است و زمانی که منبع صوتی از او دور می شد فرکانس ساطع شده کمتر می شود.Hippolyte Fizeau در سال 1848 بطور مستقل همین پدیده را روی موج های الکترومغناطیسی کشف کرد. به دلیل کشف او این اثر گاهی اوقات در فرانسه “Effect Doppler-Fizeau” نامیده می شود اما این نام توسط سایر جهان به تصویب نرسید، زیرا کشف فیضو شش سال پس از کشف دوپلر بود.

علت پدیده اثر دوپلر: همانطور که گفته شد زمانی که صدای آژیر یک وسیله نقلیه اضطراری را می شنوید با تغییر فاصله صدا نیز تغییر می کند. به عنوان مثال در نظر بگیرید که یک ماشین آتش نشانی در ایستگاه آتش نشانی منتظر سوار شدن آتش نشانان است، در اینجا دو حالت را بررسی میکنیم: 1-فرستنده و گیرنده موج در حال سکون باشند: اگر آژیر روشن باشد، شنونده در فاصله ای ثابت در سمت راست، آژیر را با همان فرکانس که از آن ساطع می شود، می شنود. همچنین افراد ثابت دیگر در سمت چپ ماشین نیز همان صدا را می شنوند. در تصویر بالا حلقه های سبز رنگ نمایانگر شکل موج در امواج صوتی آژیر هستند.

2-فرستنده در حال حرکت به سمت گیرنده موج: حال در نظر بگیرید که ماشین به سمت شنونده ثابت با سرعت ثابت v، مطابق شکل زیر حرکت کند. در تصویر بالا شنونده ثابت (در سمت راست) دیگر همان صدای ساطع شده توسط ماشین آتش نشانی را در حال حرکت نمی شنود و صدای شنیده شده توسط او شدت بیشتری می گیرد. به حلقه های سبز رنگ که نشان دهنده امواج صوتی هستند دقت کنید. در واقع فرکانس آژیر ماشین آتش نشانی که توسط این شخص شنیده می شود تغییر نکرده است اما این امواج با حرکت رو به جلوی ماشین آتش نشانی تغییر پیدا می کند.به این صورت که ماشین با حرکت به سمت امواجی که خودش منتشر کرده امواج را فشرده کرده و فاصله آن ها را از یکدیگر کم می کند. به همین دلیل همانطور که در تصویر مشخص است، فرد مقابل ماشین آتش نشانی صدای بالاتری را نسبت به افراد پشت ماشین می شنود. این فواصل در امواج پشت کامیون آتش نشانی (در سمت چپ تصویر) باعث می شود که شنونده در سمت چپ کامیون، متوجه کاهش صدا و فرکانس آژیر شود.

بدین ترتیب در اثر دوپلر: *اگر منبع در حال دور شدن باشد، فرکانس مشاهده شده کمتر و طول موج مشاهده شده بیشتر است. *اگر منبع در حال نزدیک شدن باشد، فرکانس مشاهده شده بالاتر و طول موج کوتاهتر است.

اثر دوپلر و نور: براساس فیزیک کوانتوم، نور خاصیتی دوگانه دارد و می‌تواند هم به‌صورت موجی و هم به‌صورت ذره‌ای (فوتون) رفتار کند. در اثر دوپلر، نور را به‌صورت موج در نظر می‌گیریم. بنابراین، با حرکت منبع نور به سمت ناظر، فرکانس نور تغییر می‌کند. برای امواج صوتی، با تغییر فرکانس موج صوتی، شدت صوت نیز تغییر خواهد کرد؛ اما برای نور، با تغییر فرکانس، رنگ آن تغییر می‌کند.

با نگاه کردن به طیف نور مرئی، مشاهده می‌کنیم که نور قرمز، طول موج بلندتر (فرکانس کمتر) و نور آبی، طول موج کوتاه‌تری (فرکانس بیشتر) دارد. درنتیجه، هنگامِ دور شدن منبعِ نور از ما، طول موج نور بلندتر می‌شود و به سمت بخش قرمزِ طیف حرکت می‌کند. این پدیده را انتقال به سرخ (Redshift) می‌نامند. اگر منبع نور به ما نزدیک شود، داستان برعکس می‌شود؛ طول موج‌ها کوتاه‌تر می‌شوند و به سمت بخشِ آبیِ طیف جابه‌جا می‌شوند. به این پدیده انتقال به آبی (Blueshift) می‌گوییم.

کاربردهای اثر دوپلر: تا اینجا با اثر دوپلر برای امواج صوت و نور آشنا شدیم. اما سؤال مهم آن است که اثر دوپلر چه کاربردهایی دارد. در ادامه با برخی از مهم‌ترین کاربردهای اثر دوپلر در شاخه‌های مختلف آشنا می‌شویم.

اندازه‌گیری ارتعاشات: یکی از کاربردهای برجسته‌ی اثر دوپلر را می‌توان در دستگاه‌هایی به نام ویبرومتر لیزری دوپلر مشاهده کرد. این دستگاه با تاباندن یک پرتو لیزر به سطح جسم مورد نظر، ارتعاشات یا حرکات سطح را بررسی می‌کند. فرکانس لیزر پس از بازتاب از سطح، به‌دلیل ارتعاشات تغییر می‌کند. دستگاه پس از تحلیل فرکانس بازتابی، اطلاعات دقیقی از ویژگی‌های ارتعاش، مانند فرکانس و دامنه، ارائه می‌دهد. این فناوری به‌طور گسترده در صنایع مختلف برای نظارت بر عملکرد ماشین‌آلات و ارزیابی سلامت سازه‌ها به کار می‌رود.

تجهیزات صوتی: اثر دوپلر در سیستم‌های صوتی پیشرفته نیز کاربردهای جالبی دارد. برخی بلندگوهای مجهز به موتورهای الکتریکی، از این پدیده برای خلق صدای محیطی پویا استفاده می‌کنند. در این سیستم‌ها، صدا به‌صورت دایره‌ای در اطراف بلندگو پخش می‌شود و به‌دلیل حرکت منبع صدا، فرکانس‌ها به‌سرعت تغییر می‌کنند. این فناوری به‌ویژه در سیستم‌های صوتی پیشرفته و شبیه‌سازی‌های صوتی سه‌بعدی برای ایجاد تجربه‌ای واقع‌گرایانه و فراگیر، بسیار مؤثر است.

رادار و سرعت‌سنجی: از اثر دوپلر در رادارها، برای اندازه‌گیری سرعت اشیای متحرک استفاده می‌شود. در این فناوری، رادار امواجی را به سمت هدف ارسال و با تحلیل تغییر فرکانس بازتاب، سرعت هدف را محاسبه می‌کند. از این تکنیک، برای شناسایی وسایل نقلیه با سرعت بالا، نظارت بر ترافیک، پیش‌بینی طوفان‌ها و حتی کنترل ترافیک هوایی استفاده می‌کنیم.

نمونه‌ای از کاربرد اثر دوپلر در رادارها:

تشخیص و درمان در پزشکی: اثر دوپلر نقشی حیاتی در پزشکی، به‌ویژه در تصویربرداری اولتراسوند (فراصوت)، ایفا می‌کند. دستگاه‌های اولتراسوند یا سونوگرافی با ارسال امواج صوت به بدن و تحلیل تغییرات فرکانس بازتاب‌، جریان خون در رگ‌ها و قلب را بررسی می‌کنند. این فناوری با امکان اندازه‌گیری سرعت و جهت جریان خون، ابزاری ارزشمند برای تشخیص اختلالات عروقی از جمله تنگی شریان‌ها و نارسایی‌های قلبی به شمار می‌رود. همچنین، از دوپلر برای بررسی حرکت دقیق بافت‌های قلبی و پایش جریان خون در دوران بارداری، به‌منظور ارزیابی سلامت جنین استفاده می‌شود.

کاربردهای نظامی: در حوزه‌ی نظامی، اثر دوپلر نقش کلیدی در سیستم‌های سونار و رادار ایفا می‌کند و برای شناسایی سرعت و موقعیت اجسام زیر آب و در آسمان به کار می‌رود. سونارها با ارسال امواج صوتی و تحلیل تغییرات فرکانس بازتابی، سرعت و موقعیت زیردریایی‌ها یا کشتی‌های متحرک را با دقت اندازه‌گیری می‌کنند. این فناوری به نیروی دریایی کمک می‌کند تا تهدیدات را شناسایی و موقعیت دقیق آن‌ها را ردیابی کند.

ناوبری فضایی: اثر دوپلر در سیستم‌های ناوبری فضایی نقشی اساسی در ردیابی و کنترل سرعت تجهیزات پروازی مانند ماهواره‌ها، فضاپیماها و پهپادها دارد. با ارسال امواج رادیویی و تحلیل تغییرات فرکانس بازتاب آن‌ها، مسیر و سرعت حرکت این تجهیزات با دقت بسیار بالایی محاسبه می‌شود. در مأموریت‌های فضایی، این فناوری تضمین‌کننده‌ی دقت مسیر و موقعیت فضاپیماها، برای انجام موفقیت‌آمیز مأموریت‌ها است.

نجوم و کیهان‌شناسی: اثر دوپلر در علم نجوم، ابزاری ارزشمند برای مطالعه‌ی حرکت ستارگان و کهکشان‌ها است. انتقال به سرخ و آبی، به اخترشناسان امکان می‌دهد تا سرعت حرکت اجرام آسمانی و فاصله آن‌ها را از زمین بادقت محاسبه کنند. علاوه‌بر آن، انتقال به سرخ و آبی نقشی اساسی در کشف سیارات خارج از منظومه‌ی شمسی ایفا می‌کند.

اثر دوپلر مانند پلی است که ما را به دنیای شگفت‌انگیز علم متصل می‌کند. این پدیده به ما نشان می‌دهد که جهان اطرافمان پویا و در حال تغییر است و هر روز رازهای جدیدی برای کشف کردن وجود دارد. با مطالعه و داشتن درکی عمیق‌تر از اثر دوپلر، می‌توانیم به مرزهای دانش نزدیک‌تر شویم و به سؤالات بزرگ‌تری در مورد جهان هستی پاسخ دهیم.