Effet Doppler d'un véhicule
Mesurer la vitesse d’un véhicule grâce à l’effet Doppler sonore
Description détaillée
Dans ce protocole, l'élève utilise un enregistrement sonore de véhicule se déplaçant pour calculer sa vitesse en mesurant l'effet doppler. L'enregistrement est présent dans la Bibliothèque de Sons de l'application. FizziQ permet d'analyser le spectre sonore de cet enregistrement et de consigner les mesures de fréquence dans le cahier d'expérience.
Objectifs pédagogiques
- Mettre en évidence l’effet Doppler à partir d’un enregistrement sonore
- Identifier des variations de fréquence dans un spectre sonore
- Calculer un décalage de fréquence relatif
- Déterminer la vitesse d’un véhicule à partir de mesures expérimentales
- Relier un phénomène acoustique à une application technologique réelle
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Analyseur de spectre sonore
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Bibliothèque de sons — Fournit l'enregistrement "Effet Doppler" du klaxon d'un véhicule, prêt à analyser.
- Cahier d'expérience — Pour noter l'hypothèse initiale, les fréquences mesurées et la vitesse calculée.
Matériel nécessaire
- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ, utilisée ici pour l'analyse spectrale du son
- Enregistrement sonore "Effet Doppler" disponible dans la bibliothèque de sons
- Éventuellement un enregistrement personnel d'un véhicule en mouvement
- Cahier d'expérience pour noter les observations
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil d'analyse spectrale comparable.
Protocole expérimental
Tu as sûrement constaté que le bruit d'une voiture est plus aigu quand elle vient vers toi que quand elle s'éloigne : c'est l'effet Doppler. Penses-tu que l'on puisse calculer la vitesse d'un véhicule à partir du son qu'il produit ? Note ton hypothèse dans ton cahier d'expériences.
Pour cette expérience nous avons besoin de l'enregistrement d'un son émis par un mobile en mouvement, comme par exemple le klaxon d'une voiture quand elle passe devant toi.
Tu peux créer toi-même cet enregistrement mais, en attendant, tu peux utiliser un enregistrement qui se trouve dans la bibliothèque de sons dans l'onglet Outils.
Ecoute l'enregistrement appelé Effet Doppler. Que constates-tu ? Peux-tu expliquer ce phénomène théoriquement ?
Enregistre et compare le spectre sonore du klaxon avant et après le passage de la voiture devant l'observateur. Constates-tu une différence sur la fréquence des pics ?
Pour un même pic, note f₊ la fréquence mesurée à l'approche et f₋ celle mesurée à l'éloignement, puis calcule l'écart relatif (f₊ − f₋)/f₊ en pourcentage. Refais ce calcul pour plusieurs pics : obtiens-tu des valeurs proches ? Peux-tu en déduire la vitesse de la voiture ?
Nous aimerions faire une mesure plus précise. Le maximum d'amplitude du signal repère l'instant où la voiture passe au plus près de toi : à cet instant, la fréquence perçue est très proche de la fréquence réellement émise par le klaxon. Peux-tu utiliser cette information pour déterminer la fréquence émise, puis recalculer la vitesse plus précisément ?
Documente tes résultats dans ton cahier d'expérience. Le véhicule est-il une voiture ou un vélo ?
Résultats attendus
Le spectre sonore montre une fréquence plus élevée lorsque le véhicule s’approche de l’observateur. Après le passage du véhicule, la fréquence observée devient plus basse. Cette différence entre les deux valeurs constitue le décalage Doppler. Le calcul du décalage relatif permet d’estimer la vitesse du véhicule. L'écart relatif entre les fréquences mesurées à l'approche et à l'éloignement vaut environ 2v/c : une variation de quelques pour cent correspond donc à une vitesse modérée, de l'ordre de 5 à 15 m/s. Des erreurs peuvent apparaître si le signal sonore est bruité ou si l’identification des pics fréquentiels est imprécise.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi le son devient-il plus aigu lorsque la source s’approche ?
- Pourquoi la fréquence diminue-t-elle lorsque la source s’éloigne ?
- Comment la vitesse du véhicule influence-t-elle le décalage de fréquence ?
- Pourquoi l’effet Doppler dépend-il de la vitesse du son ?
- Quels facteurs peuvent perturber la mesure du décalage fréquentiel ?
- Comment cette méthode est-elle utilisée dans les radars de vitesse ?
Explications scientifiques
L'effet Doppler est la variation apparente de fréquence d'une onde perçue par un observateur lorsque la source de l'onde et l'observateur sont en mouvement relatif. Pour une source sonore s'approchant de l'observateur, la fréquence perçue est plus élevée que la fréquence émise (son plus aigu); lorsqu'elle s'éloigne, la fréquence perçue est plus basse (son plus grave). Cette variation s'explique par la compression ou l'étirement des ondes sonores. Mathématiquement, pour une source en mouvement et un observateur fixe, la relation est: f' = f × (c/(c-v)), où f' est la fréquence perçue, f la fréquence émise, c la vitesse du son (environ 343 m/s à 20°C) et v la vitesse de la source. En pratique, la fréquence émise f n'est pas connue : on mesure la fréquence à l'approche f₊ = f × c/(c−v) et à l'éloignement f₋ = f × c/(c+v). En combinant ces deux relations, la fréquence émise s'élimine et on obtient directement la vitesse : v = c × (f₊ − f₋)/(f₊ + f₋). Pour de faibles vitesses, l'écart relatif total entre les deux fréquences vaut environ 2v/c : un écart de 6 % entre f₊ et f₋ correspond donc à une vitesse d'environ 10 m/s (36 km/h), et un écart de 3 % à environ 5 m/s (18 km/h). Par exemple, pour un klaxon émettant à 400 Hz et une voiture roulant à 10 m/s, on mesure f₊ ≈ 412 Hz et f₋ ≈ 389 Hz. Ces relations supposent que le véhicule se déplace le long de la ligne qui le relie à l'observateur : il faut donc relever les fréquences suffisamment avant et après le passage, lorsque le mouvement est quasiment radial. Au voisinage du point de passage, la fréquence perçue glisse continûment de f₊ à f₋ et vaut presque exactement f à l'instant du passage ; le maximum d'amplitude du signal permet de repérer précisément cet instant. Cette technique est utilisée par les radars Doppler pour mesurer la vitesse des véhicules, mais avec des ondes électromagnétiques plutôt que sonores.
Note importante : si l'on mesure le saut de fréquence entre l'approche (f augmente) et l'éloignement (f diminue), l'écart total vaut Δf/f ≈ 2v/c, soit le double de l'écart par rapport à la fréquence au repos.
Pour aller plus loin : Cinq expériences sur l'effet Doppler avec un smartphone (blog FizziQ) décrit plusieurs variantes réalisables en classe, dont l'enceinte fixée sur un vélo.
Extensions possibles
- Réaliser un enregistrement réel d’un véhicule passant devant un observateur
- Comparer l’effet Doppler pour différents types de véhicules
- Étudier l’effet Doppler avec une source sonore mobile dans une salle
- Comparer plusieurs enregistrements pour différentes vitesses
- Étudier l’effet Doppler avec des sons de fréquences différentes
Questions fréquentes
Qu'est-ce que l’effet Doppler ?
L’effet Doppler est la variation apparente de fréquence d’une onde due au mouvement relatif entre la source et l’observateur.
Pourquoi la fréquence est-elle différente avant et après le passage ?
Les ondes sont comprimées lorsque la source s’approche et étirées lorsqu’elle s’éloigne.
Pourquoi utilise-t-on un spectre sonore ?
Le spectre permet d’identifier précisément les fréquences présentes dans le signal.
Peut-on mesurer la vitesse avec précision grâce à cette méthode ?
Oui, si les fréquences sont mesurées précisément et si les conditions expérimentales sont bien contrôlées.
Quelle est la vitesse du son utilisée dans les calculs ?
À température ambiante, la vitesse du son dans l’air est d’environ 343 m/s.
Cette méthode est-elle utilisée dans la réalité ?
Oui, les radars Doppler utilisent un principe similaire pour mesurer la vitesse des véhicules.
Cette activité fait partie de nos ressources sur le son. Pour approfondir la mesure et l'analyse du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme, décibels) et retrouver les douze expériences, consultez notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.