Hiệu ứng Doppler là gì?
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số mà ta nghe (hoặc đo) được khi nguồn phát, người quan sát, hoặc cả hai cùng chuyển động so với môi trường truyền sóng. Đây chính là lý do tiếng còi xe cứu thương nghe the thé hơn khi xe lao tới và trầm hẳn xuống khi xe vụt qua rồi xa dần. Công cụ này xử lý hiệu ứng Doppler âm học cổ điển, áp dụng cho sóng âm truyền qua một môi trường như không khí.
Cách dùng máy tính
Nhập tần số nguồn f theo đơn vị hertz, tốc độ âm thanh c trong môi trường (khoảng 343 m/s trong không khí khô ở 20 °C), cùng tốc độ của người quan sát và của nguồn. Hãy nhập tốc độ người quan sát (\(v_o\)) là số dương khi người quan sát tiến lại gần nguồn, và tốc độ nguồn (\(v_s\)) là số dương khi nguồn tiến lại gần người quan sát; dùng giá trị âm khi chuyển động ra xa. Công cụ sẽ trả về tần số quan sát được \(f'\) và độ dịch tần \(\Delta f\).
Giải thích công thức
Hệ thức Doppler âm học tổng quát là
$$f' = f \cdot \frac{c + v_o}{c - v_s}$$Khi người quan sát tiến về phía nguồn, tử số tăng lên; còn khi nguồn tiến về phía người quan sát, mẫu số nhỏ lại — cả hai trường hợp đều làm tần số quan sát được tăng lên. Đảo dấu lại thì tần số quan sát được sẽ thấp hơn tần số gốc của nguồn.
Ví dụ minh họa
Một chiếc còi xe phát ra tần số \(f = 440\ \text{Hz}\) và chạy về phía người nghe đang đứng yên với \(v_s = 30\ \text{m/s}\) trong không khí có \(c = 343\ \text{m/s}\), người quan sát đứng yên (\(v_o = 0\)). Khi đó
$$f' = 440 \times \frac{343 + 0}{343 - 30} = 440 \times \frac{343}{313} \approx 482{,}17\ \text{Hz}$$Như vậy âm thanh cao lên khoảng 42 Hz khi còi xe tiến lại gần.
Câu hỏi thường gặp
Công cụ này có dùng cho ánh sáng không? Không — ánh sáng dùng công thức Doppler tương đối tính vì nó không cần môi trường truyền. Máy tính này chỉ dành cho sóng âm.
Nên dùng tốc độ âm thanh bằng bao nhiêu? Khoảng 343 m/s trong không khí ở 20 °C; giá trị này thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và môi trường (khoảng 1480 m/s trong nước).
Điều gì xảy ra nếu nguồn đạt tới tốc độ âm thanh? Khi \(v_s = c\) thì mẫu số bằng 0 và công thức không còn hiệu lực — đây là vùng sóng xung kích tạo ra tiếng nổ siêu thanh (sonic boom), và máy tính sẽ trả về 0.
