Hiệu Ứng Doppler

Khi một nguồn âm chuyển động về phía bạn, nó liên tục đuổi kịp một chút với chính sóng âm của nó, ép chúng lại gần nhau hơn ở phía trước — nên bạn nghe thấy một cao độ cao hơn. Khi nó chuyển động ra xa, các sóng kéo dài ra phía sau nó, nên cao độ giảm xuống. Đây là lý do tại sao một tiếng còi báo động nghe cao hơn khi nó đến gần và thấp hơn khi nó đi qua và rời xa.

Công thức

f_obs = f · c / (c − v_s)

• f_obs — tần số quan sát (Hz): cao độ mà bạn thực sự nghe thấy
• f — tần số nguồn (Hz): cao độ mà nguồn phát ra khi đứng yên
• c — tốc độ âm thanh (m/s): sóng âm truyền qua không khí nhanh như thế nào
• v_s — tốc độ nguồn (m/s): nguồn di chuyển về phía bạn nhanh như thế nào

Ví dụ đã giải

Còi báo động của xe cứu thương phát ra một âm thanh ổn định 320 héc trong khi lái xe về phía bạn với tốc độ 20 mét trên giây. Âm thanh di chuyển với tốc độ 340 mét trên giây. Bạn nghe thấy tần số nào?

• f = 320 Hz
• c = 340 m/s
• v_s = 20 m/s

1. f_obs = f · c / (c − v_s)
2. f_obs = 320 Hz · 340 / (340 − 20) = 320 Hz · 340 / 320

f_obs = 340 Hz

Tự kiểm tra

Bạn thấy điều này ở đâu

Tiếng còi báo động vụt qua là ví dụ kinh điển trong giáo khoa: cao độ lên cao khi xe cứu thương tiến gần, rồi tụt đột ngột khi nó vượt qua và lùi xa. Các nhà thiên văn đọc ra chính hiệu ứng đó trong ánh sáng — phổ của một thiên hà xa xôi dịch chuyển về phía đỏ nghĩa là các bước sóng của nó bị kéo dài ra phía sau khi nó lùi xa, cũng chính sự kéo dài đó làm hạ cao độ của một tiếng còi.

Những sai lầm phổ biến

Sai lầm sâu xa nhất là nghĩ rằng bản thân tiếng còi thay đổi cao độ — nó vẫn phát đều đặn một tần số 320 héc; chỉ có tần số tới tai bạn là thay đổi, vì nguồn đang chuyển động đuổi kịp chính các mặt sóng của nó và nén chúng lại. Cũng phải để ý dấu trong công thức: f_obs = f · c / (c − v_s) có tốc độ nguồn nằm ở mẫu số, nên một nguồn tiến gần (v_s = 20 m/s về phía bạn, âm thanh truyền với 340 m/s) nâng 320 Hz lên 340 Hz — một nguồn lùi xa thì đổi dấu và hạ nó xuống.

Nó liên kết như thế nào

Phần này xây trực tiếp trên phương trình sóng: sóng vẫn truyền với tốc độ mà môi trường cho phép (340 m/s trong không khí, do không khí quyết định chứ không phải tiếng còi), và tất cả những gì chuyển động của nguồn làm chỉ là dồn lại hay kéo dài các bước sóng mà nó phát ra. Còn phách, phần tiếp theo, là cách kinh điển còn lại khiến tần số nghe được khác với các tần số phát ra — hai nguồn ổn định giao thoa ngay tại tai bạn.

Thử mô phỏng

• Doppler — nguồn tiến lại gần

Các khái niệm liên quan

• Cường Độ Âm & Đêxiben
• Hiện Tượng Phách