Effet doppler
Mesurer la vitesse d’un véhicule grâce à l’effet Doppler sonore
Lorsque qu’un véhicule passe devant un observateur, le son qu’il émet semble changer de hauteur. Ce phénomène est familier lorsque l’on écoute une sirène ou un klaxon : le son paraît plus aigu à l’approche et plus grave lorsqu’il s’éloigne. Cette variation est appelée effet Doppler, du nom du physicien Christian Doppler qui l’a décrit au XIXᵉ siècle. Ce phénomène ne concerne pas seulement les sons, mais aussi la lumière et d’autres types d’ondes. Aujourd’hui, l’effet Doppler est utilisé dans de nombreux domaines, notamment dans les radars routiers pour mesurer la vitesse des véhicules ou en médecine pour analyser la circulation sanguine. Dans cette activité, l’élève analyse un enregistrement sonore d’un véhicule en mouvement. En comparant les fréquences mesurées avant et après le passage du véhicule, il calcule le décalage de fréquence et en déduit la vitesse du mobile. Cette expérience permet de relier une perception auditive quotidienne à une méthode scientifique de mesure.
Résumé :
L'élève analyse l'enregistrement sonore d'un véhicule en mouvement à l'aide des outils spectraux de FizziQ pour détecter le changement de fréquence causé par l'effet Doppler. Activité adaptée au lycée.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Lycée
FizziQ
Objectif pédagogique :
- 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 :
- Effet Doppler
- Fréquence sonore
- Propagation des ondes sonores
- Décalage fréquentiel
- Vitesse relative
- Analyse spectrale
- Compression et dilatation des ondes
- Mesure indirecte d’une vitesse
Capteurs :
- Microphone
Matériel :
- Smartphone ou tablette avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme Phyphox ou Arduino Science Journal permettant l'analyse de la fréquence d'un son avec un smartphone)
- 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
Protocole expérimental :
1. Tu as surement constaté que le bruit d'une voiture était plus aigu quand elle vient vers toi que quand elle s'éloigne de toi. C'est l'effet Doppler. Peut-on calculer grâce à cet effet la vitesse d'un véhicule à partir du bruit qu'elle créée ?
2. Pour cette expérience nous avons besoin de l'enregistrement d'un son émis par un mobile en mouvement, comme par exemple le klaxonne d'une voiture quand elle passe devant toi.
3. 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.
4. Ecoute l'enregistrement appelé Effet Doppler. Que constates-tu ? Peux-tu expliquer ce phénomène théoriquement ?
5. Enregistre et compare le spectre sonore du klaxon avant et après que la voiture soit passée devant l'observateur. Constates-tu une différence sur la fréquence des pics ?
6. Calcule ce décalage en pourcentage de la valeur de la fréquence pour plusieurs pics de fréquence ? Peux-tu en déduire la vitesse de la voiture ?
7. Nous aimerions faire une mesure plus précise, peux-tu utiliser la mesure de l'amplitude du signal sonore pour calculer plus précisément la vitesse de la voiture ?
8. 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. Une variation de quelques pourcents entre les fréquences correspond généralement à une vitesse modérée. Des erreurs peuvent apparaître si le signal sonore est bruité ou si l’identification des pics fréquentiels est imprécise.
Questions scientifiques :
- 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 ?
Analyse scientifique
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. À partir de cette formule, on peut isoler v: v = c × (1-f/f'). L'analyse avec FizziQ utilise le spectre de fréquences pour mesurer précisément les fréquences avant et après passage. Le décalage fréquentiel Δf/f est proportionnel au rapport v/c pour de faibles vitesses. Par exemple, un décalage de 3% correspond à une vitesse d'environ 10 m/s (36 km/h). L'amplitude du signal peut également aider à déterminer l'instant précis où le véhicule passe devant l'observateur. Cette technique est utilisée par les radars Doppler pour mesurer la vitesse des véhicules, mais avec des ondes électromagnétiques plutôt que sonores.
Variantes 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
Activités et ressources associées
- Pendule sonore : Etude de l'effet Doppler pour un pendule sonore ou une balançoire
- L'effet sonore Shepard : Analyse de l'illusion sonore de Shepard.
- Effet tube : Mesurer la vitesse du son par résonance acoustique dans un tube
- Diapasons : Étude des fréquences de diapasons au cours de l'histoire
FAQ
Q: Qu'est-ce que l’effet Doppler ?
R: L’effet Doppler est la variation apparente de fréquence d’une onde due au mouvement relatif entre la source et l’observateur.
Q: Pourquoi la fréquence est-elle différente avant et après le passage ?
R: Les ondes sont comprimées lorsque la source s’approche et étirées lorsqu’elle s’éloigne.
Q: Pourquoi utilise-t-on un spectre sonore ?
R: Le spectre permet d’identifier précisément les fréquences présentes dans le signal.
Q: Peut-on mesurer la vitesse avec précision grâce à cette méthode ?
R: Oui, si les fréquences sont mesurées précisément et si les conditions expérimentales sont bien contrôlées.
Q: Quelle est la vitesse du son utilisée dans les calculs ?
R: À température ambiante, la vitesse du son dans l’air est d’environ 343 m/s.
Q: Cette méthode est-elle utilisée dans la réalité ?
R: Oui, les radars Doppler utilisent un principe similaire pour mesurer la vitesse des véhicules.