도플러 효과

도플러 효과

들어오는 음원의 강도는 멀어지는 음원의 강도보다 높다는 현상이 잘 알려져 있다.

물리학

관련 엑스트라

장면

도플러 효과

  • 발산한 음의 파면
  • 목격자
  • 다가오는 차량의 음
  • 멀어지는 차량의 음

도플러 효과

우리 옆을 지나가는 차량의 소리는 다가올 때멀어질 때 똑같지는 않다. 차가 다가올 때 음조가 더 높은데 멀어지는 차는 움직이지 않는 차보다도 음조가 더 깊다. 이런 현상은 도플러 효과라고 한다.

설명

  • f₀ = 200 Hz
  • f₂ = 200 Hz
  • f₁ = 200 Hz
  • λ₀ = 1.65 m
  • λ₂ = 1.65 m
  • λ₁ = 1.65 m
  • f₀ = 200 Hz - 차량의 음의 거의 정확한 주파수이다. 사실, 이 음은 하나 이상의 요소를 가질 수도 있다.
  • f₂ = 208 Hz - 차량이 다가올 때 목격자는 고주파수 음향을 듣는다.
  • f₁ = 192 Hz - 차량이 멀어질 때 목격자는 초저파수 음향을 듣는다.
  • λ₂ = 1.58 m - 차량 앞에서 파면이 쌓이며 파장이 감소하고 주파수가 증가하므로 파속은 변하지 않는다.
  • λ₁ = 1.72 m - 차량 뒤에서 파면이 나눠져 퍼지면서 파장이 증가하고 주파수가 감소하므로 파속은 변하지 않는다.
  • f₀ = 200 Hz - 차량의 음의 거의 정확한 주파수이다. 사실, 이 음은 하나 이상의 요소를 가질 수도 있다.
  • f₂ = 218 Hz - 차량이 다가올 때 목격자는 고주파수 음향을 듣는다.
  • f₁ = 184 Hz - 차량이 멀어질 때 목격자는 초저파수 음향을 듣는다.
  • λ₂ = 1.51 m - 차량 앞에서 파면이 쌓이며 파장이 감소하고 주파수가 증가하므로 파속은 변하지 않는다.
  • λ₁ = 1.78 m - 차량 뒤에서 파면이 나눠져 퍼지면서 파장이 증가하고 주파수가 감소하므로 파속은 변하지 않는다.
  • f₀ = 200 Hz - 차량의 음의 거의 정확한 주파수이다. 사실, 이 음은 하나 이상의 요소를 가질 수도 있다.
  • f₂ = 240 Hz - 차량이 다가올 때 목격자는 고주파수 음향을 듣는다.
  • f₁ = 171 Hz - 차량이 멀어질 때 목격자는 초저파수 음향을 듣는다.
  • λ₂ = 1.37 m - 차량 앞에서 파면이 쌓이며 파장이 감소하고 주파수가 증가하므로 파속은 변하지 않는다.
  • λ₁ = 1.92 m - 차량 뒤에서 파면이 나눠져 퍼지면서 파장이 증가하고 주파수가 감소하므로 파속은 변하지 않는다.

설명

도플러 효과음파의 속도가 음원의 속도에 달려 있지 않기 때문에 일어난다.

움직이든지 움직이지 않든지 차량이 내보내는 음파는 똑같은 속도로 움직일 것이다. 그 속도는 통과하는 배지에 따라서 달라진다. 그러므로 음원이 움직이면 그 앞에서 파면이 쌓이지만 뒤에서는 나눠진다.

파면이 쌓이는 결과로, 음파의 파장 감소한다. 파장주파수의 곱이 음파의 계속 같은 속도와 동일하니까 음파의 주파수가 증가하면서 더 높은 음조의 소리를 내게 된다. 음원 뒤에서 완전히 반대인 것이 일어난다. 파장길어지는 동안 주파수감소하므로 음조도 더 낮을 것이다.

현상은 음원 말고 목격자가 움직일 때도 똑같이 일어난다.

음의 폭음

  • 마하 원뿔 - 음원은 음속보다 빠르게 이동하게 되면 파면은 원뿔을 형성하게 된다. 여기는 음의 진폭이 매우 커지니까 원뿔이 지나는 목격자에게 음의 폭음으로 들릴 것이다.
  • 쌍곡선 - 마하 원뿔이 수면을 교차하는 데에서 쌍곡선을 형성한다.
  • 음속 폭음

음의 폭음

음원이 통과하고 있는 배지속도를 이룰 정도로 빠르게 이동하는 경우에 파면은 원뿔을 형성하게 된다. 이것은 바로 마하 원뿔이다. 마하 원뿔이 차량과 함께 움직인다.

파면이 원뿔형의 표면에서 증폭하므로 원뿔이 지나는 목격자에게 음의 폭음으로 들릴 것이다.

일반적인 믿음과는 반대로, 예를 들어서 비행기가 음속을 넘을 때에만 일어나는 일이 아니다. 초음속 비행 동안 계속해서 일어나지만 모든 곳에서 똑같이 들을 수가 없다.

마하 원뿔이 지구의 표면을 교차하는 데에서 쌍곡선을 형성하는데 음의 폭음은 이 곡선을 따라서 퍼지면서 비행경로를 따라간다. 그런데 심각한 피해를 가져 올 수도 있다. 창문이 깨지거나 부석이 땅에 떨어지게 될 것이다.

음의 폭음은 대부분 초음파의 전투기 때문에 유발되지만 채찍질할 때에도 비슷한 소닉 붐을 일으킬 수 있다. 다만, 강도가 훨씬 작다.

천체물리학

  • 멀어지는 은하계
  • 적색 편이 - 광파의 경우에, 도플러 효과는 스펙트럼선의 변화를 일으킨다. 물체가 멀어질 때 이런 선은 스펙트럼의 적색 끝을 향할 것이다.
  • 목격자

천체물리학

음파와 비슷하게, 광파도 광원이 다가올 때, 또한 멀어질 때 도플러 효과를 나타낸다.

다가오는 광원이 내보내는 광파는 파장이 더 짧으니 푸르스름해 보일 것이며 멀어지는 광원의 경우에 불그스름해 보일 것이다. 은하계의 광은 계속 스펙트럼의 적색 끝을 향하는 것이 관찰되었다. 즉, 서로에게서, 그리고 지구에서부터 멀어지며 멀어질수록 빨라진다. 이 현생은 바로 적색 편이이다. 팽창 우주에 대해 일반적으로 인정되는 이론은 이 관찰 결과를 바탕으로 한다.

심장에 대한 초음파

  • 심장
  • 도플러 초음파 기계 - 초음파는 반영될 때 주파수가 변하기 때문에 내부 기관과 정맥에서 흐르는 피에 대한 정보를 알게 될 수 있습니다.
  • 방출된 음파
  • 반사파

심장의 초음파 검사

도플러 효과를 또한 초음파 심장 검진법에 활용한다.

초음파 기계는 장기 구조를 검사하는 데 쓰였다. 반영되는 초음파의 파장을 보니까 장기 속의 이동 속도를 계산할 수 있었다.

따라서, 장기의 내부 구조 뿐만 아니라 예를 들어서 동맥과 정맥에서 흘러가는 혈액의 양과 속도까지 측정할 수 있다. 즉, 이것은 감시하는 장기나 종양의 혈액공급에 대해서, 아니면 막힌 혈관의 상태에 대해서 정보를 제공할 수 있다.

도플러 초음파 기계는 병원에서 아울러 분만 과정 동안 아기의 심장 박동을 감시하는 데에도 쓰인다.

속도 감시 카메라

  • 반영한 레이다파를 통한 속도 측정
  • 속도 감시 카메라 - 도플러 효과로 인해, 움직이는 물체가 반영한 파도의 파장이 바뀔 것인데 기계는 그 변화를 감시할 수 있다.
  • 방출한 파도
  • 반영한 파도

속도 감시 카메라

도플러 효과를 활용하는 방법 중의 하나는 바로 속도 감시 카메라로 움직이는 차량의 속도를 측정하는 것이다.

기계가 전파를 내보내고 그 전파는 측정할 차량에서부터 반영된다. 그런데 이 반영된 파도의 파장도플러 효과로 인해 바뀐다. 차량의 속도는 반영된 전파를 바탕으로 계산하기가 가능하다.

속도 감시 카메라와 달리, 레이져 속도 측정기의 작용은 도플러 효과를 기본으로 하지 않고 반영되는 시간의 정확한 측정을 바탕으로 한다. 그에 따라, 차량의 거리를 다양한 시간 간격에 계산한 다음에 속도 계산도 가능할 것이다.

애니메이션

  • 0 km/h
  • 50 km/h
  • 100 km/h
  • 200 km/h

내레이션

우리 옆을 지나가는 차량의 소리는 다가올 때멀어질 때 똑같지는 않다. 차가 다가올 때 음조가 더 높은데 멀어지는 차는 움직이지 않는 차보다도 음조가 더 깊다. 이런 현상은 도플러 효과라고 한다.

도플러 효과음파의 속도가 음원의 속도에 달려 있지 않기 때문에 일어난다.

움직이든지 움직이지 않든지 차량이 내보내는 음파는 똑같은 속도로 움직일 것이다. 그 속도는 통과하는 배지에 따라서 달라진다. 그러므로 음원이 움직이면 그 앞에서 파면이 쌓이지만 뒤에서는 나눠진다.

파면이 쌓이는 결과로, 음파의 파장 감소한다. 파장주파수의 곱이 음파의 계속 같은 속도와 동일하니까 음파의 주파수가 증가하면서 더 높은 음조의 소리를 내게 된다. 음원 뒤에서 완전히 반대인 것이 일어난다. 파장길어지는 동안 주파수감소하므로 음조도 더 낮을 것이다.

현상은 음원 말고 목격자가 움직일 때도 똑같이 일어난다.

음원이 통과하고 있는 배지속도를 이룰 정도로 빠르게 이동하는 경우에 파면은 원뿔을 형성하게 된다. 이것은 바로 마하 원뿔이다.

마하 원뿔이 차량과 함께 움직인다. 파면이 원뿔형의 표면에서 증폭하므로 원뿔이 지나는 목격자에게 음의 폭음으로 들릴 것이다.

일반적인 믿음과는 반대로, 예를 들어서 비행기가 음속을 넘을 때에만 일어나는 일이 아니다. 초음속 비행 동안 계속해서 일어나지만 모든 곳에서 똑같이 들을 수가 없다.

마하 원뿔이 지구의 표면을 교차하는 데에서 쌍곡선을 형성하는데 음의 폭음은 이 곡선을 따라서 퍼지면서 비행경로를 따라간다. 그런데 심각한 피해를 가져 올 수도 있다. 창문이 깨지거나 부석이 땅에 떨어지게 될 것이다.

음의 폭음은 대부분 초음파의 전투기 때문에 유발되지만 채찍질할 때에도 비슷한 소닉 붐을 일으킬 수 있다. 다만, 강도가 훨씬 작다.

관련 엑스트라

음파의 특성

이 애니메이션은 음파를 통해서 파도의 가장 중요한 특성들을 설명한다.

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