Sonophilie

L’Effet Doppler

L’effet Doppler, du nom de son découvreur le mathématicien et physicien Christian Doppler, est un phénomène que l’on peut observer avec tout type d’ondes dont la source est en mouvement.

Un Effet qui existe pour tout type d’ondes

Il existe différents phénomènes physiques qui prennent la forme d’ondes. C’est le cas du son, pour ce qui nous intéresse plus particulièrement ici, mais également de la lumière (c’est à dire, plus scientifiquement, des ondes électromagnétiques) ou des fameuses ondes gravitationnelles chères à nos amis astrophysiciens. L’effet Doppler est quelque chose qui existe pour tous les types d’ondes.

Une onde est notamment caractérisée par sa fréquence, c’est à dire son nombre de pulsations dans un intervalle de temps.

Imaginons une source fictive et (pour l’instant) immobile, qui emet une onde à une fréquence fixe de 1 pulsation toutes les 20 secondes. Cette onde imaginaire1 se déplace à une vitesse constante de 10 mètres par seconde.

Quand nous sommes, nous mêmes immobiles, à une une distance de 100 mètres de cette source, nous recevons chacune des pulsations 10 secondes après qu’elle ait été émise. En effet, à une vitesse constante de 10 mètres par seconde, une pulsation mettra 10 secondes à parcourir les 100 mètres qui nous séparent de la source.

Imaginons que la source commence ses pulsations au temps 0. Elle émettra donc sa première pulsation à 0, puis la seconde à 20 secondes, puis la troisième à 40 secondes.

A 100 mètres de distance, parcourus par l’onde en 10 secondes, nous recevrons la première à 0 + 10 = 10 secondes, la seconde à 20 + 10 = 30 secondes, la troisième à 40 + 10 = 50 secondes.

Temps de l’émission Parcours Temps de la réception
0 seconde + 10 secondes = 10 secondes
20 secondes + 10 secondes = 30 secondes
40 secondes + 10 secondes = 50 secondes
60 secondes + 10 secondes = 70 secondes

Donc, dans ce cas imaginaire, on voit que si la source émet ses pulsations à une fréquence de 1 pulsation toutes les 20 secondes, on reçoit ces pulsations à cette même fréquence de 1 pulsation toutes les 20 secondes. On les reçoit juste avec 10 secondes de retard. Mais la fréquence elle même de change pas. On a 20 secondes d’écart entre chaque temps d’émission et l’on a également 20 secondes d’écart entre chaque temps de réception.

Mais supposons maintenant que cette source se mette en mouvement pour se rapprocher de nous à une vitesse de 1 mètre par seconde.

  1. Au temps 0, la source se trouve à 100 mètres. La pulsation mettra donc ses habituelles 10 secondes pour vous parvenir.

  2. Mais lorsque la pulsation suivante sera émise, au temps 20 secondes, la source aura entre temps parcouru 20 mètres dans notre direction. Elle ne se trouvera alors plus qu’à 80 mètres de distance et la pulsation vous parviendra non plus 10 secondes, mais seulement 8 secondes après son émission.

  3. De la même façon, lors de l’émission de la troisième pulsation, au temps 40 secondes, la source aura encore parcouru 20 mètre de plus et ne se trouvera olors plus qu’à 60 mètres de vous. Cette troisième pulsation vous parviendra donc en 6 secondes seulement.

Temps de l’émission Distance de la source Parcours Temps de la réception
0 seconde 100 mètres + 10 secondes = 10 secondes (pareil que si la source était immobile)
20 secondes 80 mètres + 8 secondes = 28 secondes (au lieu de 30 secondes, donc 2 secondes plus tôt que si la source était immobile).
40 secondes 60 mètres + 6 secondes = 46 secondes (au lieu de 50 secondes, donc 4 secondes plus tôt que si la source était immobile).
60 secondes 40 mètres + 4 secondes = 64 secondes (au lieu de 70 secondes, donc 6 secondes plus tôt que si la source était immobile).

Comme on le voit, alors que les temps d’émission demeurent identiques par rapport à la même situation avec une source immobile, ce n’est en revanche pas le cas pour les temps de réception. Les temps d’émission demeurent constants, mais chaque temps de propagation devient de plus en plus court et les temps de réception sont de plus en plus rapprochés les uns des autres. Du point de vue du récepteur, c’est comme si la fréquence de l’onde augmentait.

Revenons maintenant à notre situation de départ, avec la source située à 100 mètres. Nous allons à nouveau supposer qu’elle effectue un mouvement de 1 mètre par seconde, mais cette fois si en s’éloignant plutôt qu’en se rapprochant.

  1. Au temps 0, nous retrouvons notre situation « normale », avec une pulsation émise à 100 mètres. Elle mettra donc à nouveau ses habituelles 10 secondes à nous parvenir.

  2. Lorsque la seconde pulsation est émise, 20 secondes après la première, la source s’est éloigné de 20 mètres. Elles se trouve donc désormais à 120 mètres de nous et cette seconde pulsation mettra donc 12 secondes à nous parvenir.

  3. Quand vient le tour de la troisième pulsation d’être émise, au temps 40 secondes, la source est alors à 140 mètres de distance. Cette troisième pulsation mettra donc 14 secondes à nous parvenir.

Temps de l’émission Distance de la source Parcours Temps de la réception
0 seconde 100 mètres + 10 secondes = 10 secondes (pareil que si la source était immobile)
20 secondes 120 mètres + 12 secondes = 32 secondes (au lieu de 30 secondes, donc 2 secondes plus tard que si la source était immobile).
40 secondes 140 mètres + 14 secondes = 54 secondes (au lieu de 50 secondes, donc 4 secondes plus tard que si la source était immobile).
60 secondes 160 mètres + 16 secondes = 76 secondes (au lieu de 70 secondes, donc 6 secondes plus tard que si la source était immobile).

Cette fois ci, chaque pulsation arrive de plus en plus en retard par rapport à la situation dans laquelle la source était immobile. Du point de vue du récepteur, c’est comme si la fréquence de l’onde diminuait.

Donc, on peut décrire la manifestation de l’effet Doppler comme suit :

Ce que cela donne dans le cas du son

Le son est véhiculé par une onde. Il est donc soumis, comme toutes les ondes, à l’effet Doppler.

Dans le cas du son, la fréquence de l’onde détermine s’il est plus ou moins grave ou plus ou moins aigüe. Moins la fréquence de l’onde est élevée et plus le son est grave. A l’inverse, plus la fréquence de l’onde est élevée et plus le son est aigüe.

Il en découle donc que le son émis par une source qui se rapproche nous parviendra de plus en plus aigüe au fur et à mesure que cette source se rapproche (et de façon d’autant plus prononcée que la source bouge vite2). Et à l’inverse, le son émis par une source qui s’éloigne nous parviendra de plus en plus grave au fur et à mesure que cette source s’éloigne.

Dans la vie de tous les jours, on peut constater l’effet Doppler avec des véhicules à moteur (voitures, motos, avions de chasse) se déplaçant assez vite pour qu’on puisse percevoir sa manifestation. Quand un bolide s’approche, on entend le bruit de son moteur devenir de plus en plus aigüe (« gniiiiiii »). Puis une fois qu’il est passé à notre niveau et qu’il s’éloigne, on l’entend alors devenir de plus en plus grave (« woooôôôô »). C’est ce qui donne, par exemple, le rugissement caractéristique d’une formule 1 ou d’une moto de course quand elle passe devant nous (« gniiiiiiiwoooôôôô ») … ou devant le preneur de son quand on regarde la retransmission d’une course.

D’ailleurs, le fait que cela fonctionne même par l’intermédiaire d’une retransmission télévisée prouve bien qu’il ne s’agit pas simplement d’une illusion auditive liée au fonctionnement de notre oreille ou de notre cerveau, puisque les microphones utilisés pour l’enregistrement y sont également sensibles.


  1. Cette onde imaginaire, avec sa vitesse de 10 mètres par seconde, se déplace bien plus lentement que les ondes physiques auxquelles nous sommes habituées dans notre environnement quotidien (c’est vrai pour le son et encore plus pour la lumière). C’est pour simplifier les calculs qui vont suivre en faisant en sorte qu’ils tombent systématiquement sur des nombres ronds, le but étant ici de comprendre le principe général de l’effet Doppler, pas de calculer des réalités physiques complexes.↩︎

  2. En fait, il faut que la source se rapproche à une certaine vitesse pour que cela soit perceptible à nos oreilles. La vitesse d’une personne qui marche vers nous n’est par exemple pas suffisante pour que l’on en remarque l’effet Doppler.↩︎

Copyright © 2020 Guillaume Ponce
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