Công cụ này dùng để làm gì
Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi cao độ âm thanh mà bạn nghe thấy khi nguồn âm tiến lại gần hoặc rời xa bạn — chính là âm thanh còi hú lên rồi trầm xuống của một chiếc xe cứu thương lao qua. Công cụ này tính tần số mà người quan sát thực sự nghe được, dựa trên tần số phát ra của nguồn, tốc độ tương đối giữa nguồn và người quan sát, cùng nhiệt độ không khí (yếu tố quyết định tốc độ truyền âm).
Cách sử dụng
Nhập tần số nguồn f0 (đơn vị hertz), nhiệt độ không khí (độ C) và hai giá trị tốc độ (km/h). Hãy lưu ý quy ước dấu: tốc độ nguồn Vs mang dấu dương khi nguồn tiến lại gần người quan sát và mang dấu âm khi rời xa; tốc độ người quan sát Vo mang dấu dương khi người quan sát di chuyển ra xa nguồn và mang dấu âm khi tiến lại gần. Các giá trị tốc độ sẽ được tự động đổi sang mét trên giây trước khi áp dụng công thức.
Giải thích công thức
Trước tiên, tốc độ truyền âm được xác định theo nhiệt độ: \(v = 331{,}5 + 0{,}61\,T\) (khoảng 343,7 m/s ở 20 °C). Sau đó, tần số nghe được tính bằng
$$f = f_0 \cdot \frac{v - V_o}{v - V_s}$$Khi nguồn tiến lại gần, mẫu số nhỏ đi và cao độ tăng lên; khi người quan sát rời xa, tử số nhỏ đi và cao độ giảm xuống.
Ví dụ minh họa
Còi xe phát ra âm f0 = 440 Hz, không khí ở 20 °C, xe tiến lại với Vs = 135 km/h trong khi bạn đứng yên (Vo = 0). Tốc độ truyền âm là
$$331{,}5 + 0{,}61 \times 20 = 343{,}7 \ \text{m/s}$$và
$$V_s = 135 \times 0{,}2777778 = 37{,}5 \ \text{m/s}$$Vậy
$$f = 440 \times \frac{343{,}7}{343{,}7 - 37{,}5} = 440 \times \frac{343{,}7}{306{,}2} \approx 493{,}89 \ \text{Hz}$$— nốt "La" 440 Hz được nâng lên gần thành nốt "Si", một bước nhảy cao độ rõ rệt.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cao độ nghe được giảm xuống sau khi nguồn âm đi qua? Khi nguồn bắt đầu rời xa, \(V_s\) trở thành số âm, mẫu số tăng lên và \(f\) giảm xuống dưới mức \(f_0\).
Điều gì xảy ra nếu nguồn đạt tới tốc độ âm thanh? Mẫu số \((v - V_s)\) tiến về 0 và công thức trở nên phân kỳ — đây chính là vùng sóng xung kích / tiếng nổ siêu thanh, nên công cụ sẽ báo giá trị nằm ngoài phạm vi.
Tại sao phải đưa nhiệt độ vào tính toán? Tốc độ truyền âm trong không khí phụ thuộc vào nhiệt độ; không khí càng ấm thì âm thanh truyền càng nhanh, làm thay đổi nhẹ độ dịch chuyển Doppler.
