Кіріспе
Допплер эффектісі (сонымен қатар Допплер ауытқуы) – толқын көзіне қатысты қозғалатын бақылаушыға қатысты толқын жиілігінің өзгеруі. Допплер эффектісі 1842 жылы осы құбылысты сипаттаған физик Кристиан Допплердің есімімен аталады. Допплер ауытқуының кең таралған мысалы – көлік дауысын шығарып, бақылаушыға жақындағанда және алыстағанда естілетін дыбыс биіктігінің өзгеруі. Шығарылған жиілікке қарағанда, қабылданып алынған жиілік жақындау кезінде жоғары, өтетін сәтте тең, ал алыстау кезінде төмен болады. Дыбыс толқынының көзі бақылаушыға қарай қозғалғанда, толқынның әрбір кезекті циклы алдыңғы циклға қарағанда бақылаушыға жақын жерден шығарылады. Осылайша, бақылаушының көзқарасынан циклдар арасындағы уақыт қысқарады, яғни жиілік артады. Керісінше, егер дыбыс толқынының көзі бақылаушыдан алыстаса, толқынның әрбір циклы алдыңғы циклға қарағанда бақылаушыдан алыс жерден шығарылады, сондықтан кезекті циклдар арасындағы уақыт ұзарады, демек жиілік төмендейді. Дыбыс толқындары сияқты ортада тарайтын толқындар үшін бақылаушы мен көздің жылдамдығы толқындар тарайтын ортаға қатысты есептеледі. Бұл гипотеза 1845 жылы Буйс Баллот тарапынан дыбыс толқындары үшін тексерілді. Ол дыбыс көзі жақындағанда дыбыс биіктігі шығарылған жиіліктен жоғары, ал дыбыс көзі алыстағанда төмен екенін растады. Гипполит Физо 1848 жылы электромагниттік толқындарда осы құбылысты тәуелсіз түрде ашты (Францияда бұл эффект кейде «Допплер-Физо эффектісі» деп аталады, бірақ Физоның ашылуы Допплердің ұсынысынан алты жыл кейін болғандықтан бұл атау әлемнің қалған бөлігінде қабылданбады). Ұлыбританияда Джон Скотт Расселл 1848 жылы Допплер эффектісін эксперименттік тұрғыдан зерттеді.
The Doppler effect (also Doppler shift) is the change in the frequency of a wave in relation to an observer who is moving relative to the source of the wave. The Doppler effect is named after the physicist Christian Doppler, who described the phenomenon in 1842. A common example of Doppler shift is the change of pitch heard when a vehicle sounding a horn approaches and recedes from an observer. Compared to the emitted frequency, the received frequency is higher during the approach, identical at the instant of passing by, and lower during the recession. When the source of the sound wave is moving towards the observer, each successive cycle of the wave is emitted from a position closer to the observer than the previous cycle. Hence, from the observer's perspective, the time between cycles is reduced, meaning the frequency is increased. Conversely, if the source of the sound wave is moving away from the observer, each cycle of the wave is emitted from a position farther from the observer than the previous cycle, so the arrival time between successive cycles is increased, thus reducing the frequency. For waves that propagate in a medium, such as sound waves, the velocity of the observer and of the source are relative to the medium in which the waves are transmitted. The hypothesis was tested for sound waves by Buys Ballot in 1845. He confirmed that the sound's pitch was higher than the emitted frequency when the sound source approached him, and lower than the emitted frequency when the sound source receded from him. Hippolyte Fizeau discovered independently the same phenomenon on electromagnetic waves in 1848 (in France, the effect is sometimes called "effet Doppler Fizeau" but that name was not adopted by the rest of the world as Fizeau's discovery was six years after Doppler's proposal). In Britain, John Scott Russell made an experimental study of the Doppler effect (1848).
Акустикалық Допплер тогының профильдеуіші
Акустикалық Допплер тогының профильдеуіші (АДКБ) – су бағанасындағы бөлшектерден кері шашыраған дыбыс толқындарының Допплер эффектісін пайдалана отырып, белгілі бір тереңдік аралығында су тогының жылдамдығын өлшеуге арналған, сонарға ұқсас гидроакустикалық ток өлшегіш. ADCP термині – барлық акустикалық ток профильдеуіштерді білдіретін жалпы атау, алайда осы аббревиатура 1980 жылдары RD Instruments компаниясы ұсынған құралдар сериясынан шыққан. АДКБ-ның жұмыс жиіліктері 38 кГц-ден бірнеше мегагерцке дейін жетеді. Дыбыс арқылы жел жылдамдығын өлшеу үшін ауада қолданылатын құрылғы SODAR деп аталады және ол да осы қағидаларға негізделген.
Робототехника
Робототехникадағы динамикалық нақты уақыт жол жоспарлау, роботтардың қозғалатын кедергілермен күрделі ортада жылжуына көмектесу үшін көбінесе Допплер эффектісін пайдаланады. Мұндай қолданыстар, әсіресе, қоршаған орта үнемі өзгеріп отыратын, мысалы, робофутбол сияқты бәсекелестік робототехникада кеңінен қолданылады.
Сиреналар
Ашығыс көмекке арналған көліктегі сиренаның дыбысы, оның қалыпты күйдегісінен жоғарырақ болса басталып, көлік өтіп бара жатқанда төмендейді, ал бақылаушыдан алыстағанда қалыпты күйдегісінен де төмен болып созылады. Астроном Джон Добсон бұл құбылысты былай түсіндірді: Сиренаның дыбысының төмендеу себебі – ол сізге жетпейді. Яғни, егер сирена бақылаушыға тікелей жақындаса, көлік оған соқтығысқанға дейін дыбыс қалыпты күйдегісінен жоғары болып қала береді, содан кейін бірден жаңа, төменгі дыбысқа ауысады. Бірақ көлік бақылаушыдан өтіп бара жатқандықтан, радиалдық жылдамдық тұрақты болмайды, керісінше, бақылаушының көру сызығы мен сиренаның жылдамдығы арасындағы бұрышқа байланысты өзгереді:
The reason the siren slides is because it doesn't hit you. In other words, if the siren approached the observer directly, the pitch would remain constant, at a higher than stationary pitch, until the vehicle hit him, and then immediately jump to a new lower pitch. Because the vehicle passes by the observer, the radial speed does not remain constant, but instead varies as a function of the angle between his line of sight and the siren's velocity:
where is the angle between the object's forward velocity and the line of sight from the object to the observer.
мұндағы – объектінің қозғалыс бағыты мен объектіден бақылаушыға дейінгі көру сызығы арасындағы бұрыш.
The reason the siren slides is because it doesn't hit you. In other words, if the siren approached the observer directly, the pitch would remain constant, at a higher than stationary pitch, until the vehicle hit him, and then immediately jump to a new lower pitch. Because the vehicle passes by the observer, the radial speed does not remain constant, but instead varies as a function of the angle between his line of sight and the siren's velocity:
where is the angle between the object's forward velocity and the line of sight from the object to the observer.
Астрономия
Электромагниттік толқындар үшін Доплер эффектісі астрономияда кеңінен қолданылады, жұлдыздар мен галактикалардың бізге жақындап немесе алыстап бара жатқан жылдамдығын өлшеу үшін, нәтижесінде тиісінше көк немесе қызыл ығысу деп аталады. Бұл эффект бір жұлдыз болып көрінетін жұлдыздың ішінде жақын екі жұлдыздан тұратын жүйе екенін анықтауға, жұлдыздар мен галактикалардың айналу жылдамдығын өлшеуге немесе экзопланеталарды табуға пайдаланылуы мүмкін. Бұл әсер көбінесе өте шағын масштабта болады, сондықтан қалың көзбен көрінетін жарықта ешқандай айқын айырмашылық байқалмайды. Астрономияда Доплер эффектісін қолдану үшін жұлдыздар спектріндегі дискретті сызықтардың дәл жиіліктерін білу қажет. Күнге ең жақын жұлдыздардың арасындағы ең үлкен радиалдық жылдамдықтар +308 км/с (BD 15°4041, сондай-ақ LHS 52 деп белгілі, 81,7 жарық жылы қашықтықта) және -260 км/с (Вулли 9722, сонымен қатар Вольф 1106 және LHS 64 деп белгілі, 78,2 жарық жылы қашықтықта) құрайды. Оң радиалдық жылдамдық жұлдыздың Күннен алыстап бара жатқанын, ал теріс жылдамдық жақындап келе жатқанын білдіреді. Қызыл ығысу ғаламның кеңеюін өлшеу үшін де қолданылады. Кейде бұл шын мәнінде Доплер эффектісі емес, кеңістіктің өзінің кеңеюінен туындайды деп айтылады. Дегенмен, мұндай түсінік қате болуы мүмкін, өйткені кеңістіктің кеңеюі – координаттарды таңдауға байланысты математикалық шарт. Космологиялық қызыл ығысудың ең қарапайым түсіндірмесі – бұл шынымен де Доплер ығысуы. Алшақ галактикалар да космологиялық рецессия жылдамдығынан өзгеше ерекше қозғалыс көрсетеді. Егер қызыл ығысулар Хаббл заңына сәйкес қашықтықты анықтау үшін қолданылса, онда осы ерекше қозғалыстар қызыл ығысу кеңістігінің бұрмалануына әкеледі.
Медициналық
Эхокардиограмма белгілі бір шектерде Допплер эффектісін пайдалана отырып, кез келген нүктеде қан ағынының бағытын және қан мен жүрек тінінің жылдамдығын дәл бағалай алады. Бір шектеуі – ультрадыбыс сәулесі қан ағынына мүмкіндігінше параллель болуы тиіс. Жылдамдық өлшемдері жүрек қақпақшаларының ауданы мен жұмысын, жүректің сол және оң жақтары арасындағы бұрмаланған байланыстарды, қақпақшалар арқылы қанның кері ағысын (қақпақшалық регюргитация) және жүрек шығысын есептеуге мүмкіндік береді. Газбен толтырылған микрокөпіршіктерді қолданатын контрастты ультрадыбыс жылдамдықты немесе басқа ағысқа байланысты медициналық өлшемдерді жақсарту үшін қолданылуы мүмкін. Медициналық бейнелеуде "Допплер" сөзі "жылдамдық өлшеумен" синоним болғанымен, көп жағдайда алынған сигналдың жиілік өзгерісін (Допплер өзгерісін) емес, фазалық өзгерісін (сигнал келген кезде) өлшейміз. Қан ағынының жылдамдығын өлшеу медициналық ультрадыбыстың басқа салаларында да қолданылады, мысалы, акушерлік ультрадыбыс және неврология. Допплер эффектісіне негізделген артериялар мен веналардағы қан ағынының жылдамдығын өлшеу – стеноз сияқты қан тамырларының проблемаларын диагностикалаудың тиімді құралы.
Ағынды өлшеу
Сұйық ағынындағы жылдамдықтарды өлшеу үшін лазерлік Допплер жылдамдық өлшегіші (LDV) және акустикалық Допплер жылдамдық өлшегіші (ADV) сияқты құралдар жасалған. LDV жарық сәулесін, ал ADV ультрадыбыстық акустикалық импульс шығарып, ағынмен қозғалатын бөлшектерден шағылысқан толқын ұзындықтарындағы Доплер эффектісін өлшейді. Ағынның нақты мәні судың жылдамдығы мен фазасына байланысты есептеледі. Бұл техника ағынды үлкен дәлдікпен және жоғары жиілікте бұрмаламай өлшеуге мүмкіндік береді.
Жылдамдық профилін өлшеу
Алғашында медициналық қолданыстарда (қан ағыны) жылдамдық өлшеулер үшін жасалған Ультрадыбыстық Допплер Жылдамдық өлшегіші (UDV) шаң, газ көпіршіктері, эмульсиялар сияқты суспензиядағы бөлшектер бар дерлік кез келген сұйықтықтың толық жылдамдық профилін нақты уақытта өлшеуге мүмкіндік береді. Ағындар пульстік, тербелістік, ламинарлық немесе турбулентті, тұрақты немесе уақытша болуы мүмкін. Бұл техника толығымен инвазивті емес.
Спутниктік навигация
Допплер эффектісі Transit және DORIS сияқты спутниктік навигация жүйелерінде қолданылуы мүмкін.
Аудио
Лесли динамигі, ең көп танымал және негізінен атақты Хаммонд органымен қолданылатын, Доплер эффектісін пайдаланады. Ол электрмоторды қолданып, дыбыс шығару мүйізін динамик төңірегінде айналдырады, бұл дыбыстың шеңбер бойымен таралуына себеп болады. Нәтижесінде, тыңдаушының құлағында пернелік нотаның жиілігі жылдам өзгеріп тұрады.
Дәрелісті өлшеу
Лазерлік Допплер виброметрі (LDV) – байланыссыз, дірілді өлшеуге арналған құрал. ЛДВ-ден шыққан лазер сәулесі қызығушылық тудыратын бетке бағытталады, ал беттің қозғалысынан туындаған лазер сәулесі жиілігінің Допплер эффектісі арқылы дірілдің амплитудасы мен жиілігі анықталады.
Даму биологиясы
Омыртқалылардың эмбриондарын сегменттеу кезінде ген экспрессиясының толқындары омыртқалардың (сомиттердің) алғыштары қалыптасатын тіндер – пресомиттік мезодерма арқылы жуып өтеді. Жаңа сомит пресомиттік мезодерманың алдыңғы шетіне толқын жеткен кезде пайда болады. Зебра балығында сегментация кезінде пресомиттік мезодерманың қысқаруы, тіндердің алдыңғы ұшы толқындарға қарай жылжығанда Доплер эффектісіне ұқсас құбылыс тудыратыны көрсетілді. Бұл құбылыс сегментацияның мерзімін анықтайды.
Кері Доплер эффектісі
1968 жылдан бері Виктор Веселаго сияқты ғалымдар кері Допплер эффектісінің мүмкіндігі туралы пікір айта келеді. Допплер жылжуының шамасы толқынның қозғалатын ортаның сындыру көрсеткішіне байланысты. Кейбір материалдар теріс сындыруға қабілетті, бұл дәстүрлі Допплер жылжуына қарама-қарсы бағытта жұмыс істейтін Допплер жылжуына алып келуі керек. Бұл эффектіні бірінші рет анықтаған тәжірибе 2003 жылы Ұлыбританияның Бристоль қаласында Найджел Седдон мен Тревор Беарпарк жүргізді. Кейіннен кері Допплер эффектісі кейбір біртекті емес материалдарда байқалды және Вавилов-Черенков конусы ішінде күтілуде.