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Als Dopplereffekt (auch Doppler-Effekt) bezeichnet man die VerÀnderung der wahrgenommenen oder gemessenen Frequenz von Wellen jeder Art, wÀhrend sich die Quelle und der Beobachter einander nÀhern oder voneinander entfernen, sich also relativ zueinander bewegen.
NÀhern sich Beobachter und Quelle einander, so erhöht sich die vom Beobachter wahrgenommene Frequenz, entfernen sie sich voneinander, verringert sich die Frequenz. Bekanntes Beispiel ist die TonhöhenÀnderung des Martinhorns eines Rettungswagens. Solange sich das Fahrzeug nÀhert, ist der wahrgenommene Ton höher als im Stand; wenn es sich entfernt, ist er tiefer.
In der Reaktorphysik und -technik wird die Dopplerverbreiterung von Neutroneneinfangsresonanzen manchmal kurz als Dopplereffekt bezeichnet.
Inhaltsverzeichnis |
Der Dopplereffekt wurde nach dem österreichischen Physiker und Mathematiker Christian Doppler benannt, der ihn 1842 voraussagte. Doppler wollte die unterschiedlichen Farben der Sterne durch ihre Eigenbewegung erklĂ€ren. Auch wenn er damit falsch lag â die Farben entstehen hauptsĂ€chlich durch unterschiedliche OberflĂ€chentemperatur der Sterne â war seine Berechnung im Prinzip richtig.
Ein Experiment zum Dopplereffekt mit Schallwellen wurde 1845 vom Physiker Christoph Buys-Ballot durchgefĂŒhrt. Er postierte dazu mehrere Trompeter sowohl auf einem fahrenden Eisenbahnzug als auch neben der Bahnstrecke. Beim Vorbeifahren sollte jeweils einer von ihnen ein G spielen und die anderen die gehörte Tonhöhe bestimmen. Trotz Schwierigkeiten bei der DurchfĂŒhrung â das GerĂ€usch der Lokomotive war sehr laut, die Musiker waren manchmal unaufmerksam â gelang es Buys-Ballot, den Dopplereffekt zu bestĂ€tigen. Armand Hippolyte Fizeau entdeckte den Effekt fĂŒr Licht im Jahre 1848.
William Huggins wandte den Dopplereffekt auf Sternbewegungen an und erkannte, dass sich zum Beispiel der Stern Sirius von uns stetig entfernte.
Bei der ErklÀrung des akustischen Dopplereffekts ist zu unterscheiden, ob sich die Schallquelle, der Beobachter, oder beide relativ zum Medium (der ruhenden Luft) bewegen.
Als Beispiel soll angenommen werden, dass das Martinshorn des Krankenwagens Schallwellen mit einer Frequenz von 1000 Hz aussendet. Dieses bedeutet, dass genau 1/1000 Sekunde nach dem ersten Wellenberg ein zweiter Wellenberg nachfolgt. Die Wellen breiten sich mit der Schallgeschwindigkeit <math>c\approx 340\ \mathrm{m/s}</math> bei 20 °C aus.
So lange der Krankenwagen steht, ist die WellenlÀnge <math>\lambda_s</math> des Schalls, also der Abstand der Wellenberge:
FĂŒr einen Beobachter an der StraĂe kommen diese Wellenberge zwar je nach Entfernung etwas zeitverzögert an. Die Zeit zwischen zwei Wellenbergen Ă€ndert sich jedoch nicht. Die Grundfrequenz <math>f_s</math> des wahrgenommenen Tons ist fĂŒr jeden Abstand von Beobachter und Krankenwagen gleich.
Die Situation Ă€ndert sich, wenn der Krankenwagen mit der Geschwindigkeit <math>v</math> auf den Beobachter zufĂ€hrt. Da sich der Wagen in der Zeit zwischen den beiden Wellenbergen weiterbewegt, verkĂŒrzt sich der Abstand zwischen ihnen etwas. Sie verkĂŒrzt sich um den Weg, den der Wagen in der Zeit von 1/1000 Sekunde zurĂŒcklegt:
Die Indizes <math>S</math> und <math>B</math> verweisen auf den Sender beziehungsweise Beobachter der Welle. Da sich beide Wellenberge mit derselben Schallgeschwindigkeit <math>c</math> zum Beobachter bewegen, bleibt der verkĂŒrzte Abstand zwischen ihnen erhalten, und der zweite Wellenberg kommt nicht erst 1/1000 Sekunde nach dem ersten an, sondern schon ein wenig frĂŒher. Dadurch erscheint dem Beobachter die Frequenz (also die Tonhöhe) des Martinshornes höher (<math>f_B > f_S</math>).
Quantitativ erhĂ€lt man die FrequenzĂ€nderung einfach durch Einsetzen der Beziehung <math>\lambda \cdot f = c</math> in obige Formel fĂŒr <math>\lambda_B</math>. FĂŒr die vom Beobachter wahrgenommene Frequenz <math>f_B</math> ergibt sich somit:
Dabei bedeuten <math>f_S</math> die Frequenz der Schallquelle, <math>c</math> die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls und <math>v</math> die Geschwindigkeit der Schallquelle (also des Krankenwagens).
Wenn der Krankenwagen am Beobachter vorbei gefahren ist, verhĂ€lt es sich sinngemÀà umgekehrt: der Abstand zwischen den Wellenbergen (WellenlĂ€nge) vergröĂert sich, und der Beobachter hört einen tieferen Ton. Rechnerisch gilt obige Formel genauso, man muss nur fĂŒr <math>v</math> eine negative Geschwindigkeit einsetzen.
Die beschriebenen Bewegungen der Signalquelle direkt auf den Beobachter zu oder direkt von ihm weg sind SpezialfĂ€lle. Bewegt sich die Signalquelle beliebig im Raum mit der Geschwindigkeit <math>\vec{v}</math> so kann die Dopplerverschiebung fĂŒr einen ruhenden EmpfĂ€nger zu
angegeben werden. <math>\vec{e}_{SB}</math> ist dabei der zeitabhÀngige Einheitsvektor der die Richtung von der Signalquelle S zum Beobachter B beschreibt.
Auch bei ruhender Schallquelle S und bewegtem Beobachter B tritt ein Dopplereffekt auf, allerdings ist hier die Ursache eine andere: Wenn der Wagen ruht, Àndert sich auch nichts am Abstand zwischen den Wellenbergen, die WellenlÀnge bleibt also gleich. Allerdings kommen die Wellenberge scheinbar schneller hintereinander bei dem Beobachter an, wenn sich dieser auf den Krankenwagen zubewegt:
Auch hier wieder ergibt sich der Fall eines sich entfernenden Beobachters durch Einsetzen einer negativen Geschwindigkeit.
FĂŒr eine beliebige Bewegung des Beobachters B mit dem Geschwindigkeitsvektor <math>\vec{v}</math> ergibt sich bei ruhendem Sender S der Dopplereffekt zu
wobei <math>\vec{e}_{SB}</math> wiederum der Einheitsvektor zur Beschreibung der Richtung von der Signalquelle S zum Beobachter B ist, der im allgemeinen Fall, genau wie der Geschwindigkeitsvektor <math>\vec{v}</math>, zeitabhÀngig sein kann.
Wie man sieht, sind die Gleichungen (1) und (2) nicht identisch (nur im Grenzfall <math>v \ll c</math> nĂ€hern sie sich einander an). Offensichtlich wird das im Extremfall: bewegt sich der Beobachter mit Schallgeschwindigkeit auf die Signalquelle zu, erreichen ihn die Wellenberge doppelt so schnell, und er hört einen Ton doppelter Frequenz. Bewegt sich hingegen die Signalquelle mit Schallgeschwindigkeit, wird der Abstand zwischen den Wellenbergen praktisch null, sie ĂŒberlagern sich und es kommt zu einer extremen Verdichtung der Luft (siehe Schallmauerdurchbruch). Da so alle Wellenberge gleichzeitig beim Beobachter eintreffen, wĂ€re das nach obiger Formel theoretisch eine unendliche Frequenz - praktisch hört man keinen Ton einer bestimmten Frequenz, sondern den Ăberschallknall.
Durch Kombination der Gleichungen (1) und (2) kann man eine Gleichung herleiten, die die fĂŒr den Beobachter wahrgenommene Frequenz <math>f_B</math> beschreibt, wenn der Sender und der EmpfĂ€nger in Bewegung sind.
Sender und EmpfÀnger bewegen sich aufeinander zu:
Sender und EmpfÀnger bewegen sich voneinander weg:
Dabei ist <math>v_{\rm B}</math> die Geschwindigkeit des Beobachters und <math>v_{\rm S} \,</math> die Geschwindigkeit des Senders der Schallwellen.
Allgemein lÀsst sich der Frequenzunterschied schreiben als:
Dabei ist <math>v_{\rm B}</math> die Geschwindigkeit des Beobachters und <math>v_{\rm S}</math> die des Senders der Schallwellen, jeweils relativ zum Medium (z. B. der Luft). Das obere Operationszeichen gilt jeweils fĂŒr AnnĂ€herung (Bewegung in Richtung des Senders bzw. EmpfĂ€ngers). D. h. beide Geschwindigkeiten werden positiv in Richtung des Beobachters bzw. Senders gemessen. Mit <math>v_{\rm B} = 0</math> oder <math>v_{\rm S} = 0</math> ergeben sich die oben genannten SpezialfĂ€lle. Weiter sieht man, dass sich der Effekt aufhebt (es also keine TonhöhenĂ€nderung gibt), wenn <math>v_{\rm S} = -v_{\rm B}</math>. Das entspricht dem Fall, wenn sich Sender und EmpfĂ€nger beide in dieselbe Richtung mit derselben Geschwindigkeit relativ zum Medium bewegen. Ăblicherweise tritt so ein Fall auf, wenn sich das Medium selbst bewegt, wĂ€hrend Sender und EmpfĂ€nger ruhen (Wind). Deswegen kommt es unabhĂ€ngig von der WindstĂ€rke zu keinem Dopplereffekt.
Zu den Formeln ist noch zu sagen, dass sie unter der Annahme abgeleitet wurden, dass sich Quelle und Beobachter direkt aufeinander zubewegen. In realen FĂ€llen fĂ€hrt der Krankenwagen in einem bestimmten Mindestabstand an dem Beobachter vorbei. Das hat zur Folge, dass sich der Abstand zwischen Quelle und Beobachter nicht gleichmĂ€Ăig Ă€ndert, und deswegen - besonders unmittelbar vor und nach dem Vorbeifahren - ein kontinuierlicher Ăbergang der Tonhöhe von höher zu tiefer zu hören ist.
Elektromagnetische Wellen breiten sich auch im Vakuum, also ohne Medium aus. Wenn sich der Sender der Wellen relativ zum EmpfĂ€nger bewegt, tritt auch in diesem Fall eine Verschiebung der Frequenz auf. Dieser Relativistische Dopplereffekt ist darauf zurĂŒck zu fĂŒhren, dass die Wellen sich mit endlicher Geschwindigkeit, nĂ€mlich der Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Man kann ihn als geometrischen Effekt der Raumzeit auffassen.[1]
Bei elektromagnetischen Wellen im Vakuum (Optischer Dopplereffekt) gibt es kein Medium, deswegen hÀngt die beobachtete FrequenzÀnderung nur von der relativen Geschwindigkeit von Quelle und Beobachter ab; ob sich dabei die Quelle, der Beobachter oder beide bewegen, hat keinen Einfluss auf die Höhe der FrequenzÀnderung.
Aufgrund des RelativitĂ€tsprinzips darf sich jeder Beobachter als ruhend betrachten. Allerdings muss er dann bei der Berechnung des Dopplereffekts zusĂ€tzlich zu obigen Betrachtungen auch noch die Zeitdilatation der relativ zum Beobachter bewegten Quelle berĂŒcksichtigen. Somit erhĂ€lt man fĂŒr den relativistischen Dopplereffekt:
Wie bisher entsprechen auch hier positive Geschwindigkeiten einer AnnÀherung und negative eine Entfernung von Sender und Beobachter. Bewegt sich die Lichtquelle durch ein Medium mit einer Brechzahl <math>n>1</math> (z.B. durch Wasser), so ist in diesem Medium die Lichtgeschwindigkeit <math>c'</math> kleiner als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. In die Zeitdilatation geht aber weiterhin die Vakuumlichtgeschwindigkeit ein, so dass sich in diesem Fall ergibt:
Diese Formel geht fĂŒr <math>v \ll c' < c</math> in die nichtrelativistische Formel ĂŒber, selbst wenn <math>v</math> nicht wesentlich kleiner als <math>c'</math> ist.
Bewegt sich ein Objekt zu einem gewissen Zeitpunkt quer zum Beobachter, so kann man die Ănderung des Abstandes zu diesem Zeitpunkt vernachlĂ€ssigen; dementsprechend wĂŒrde man hier auch keinen Dopplereffekt erwarten. Jedoch besagt die RelativitĂ€tstheorie, dass jedes Objekt aufgrund seiner Bewegung einer Zeitdilatation unterliegt, aufgrund der die Frequenz ebenfalls verringert wird. Diesen Effekt bezeichnet man als transversalen Dopplereffekt. Die Formel hierfĂŒr lautet
wobei <math>c</math> hier die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit bezeichnet.
Der transversale Dopplereffekt kann bei nicht-relativistischen Geschwindigkeiten (also Geschwindigkeiten weit unter der Lichtgeschwindigkeit) allerdings vernachlÀssigt werden.
Der Dopplereffekt lĂ€sst sich ganz allgemein abhĂ€ngig vom Winkel der Bewegungsrichtung zur Achse Quelle-EmpfĂ€nger angeben. Die FrequenzĂ€nderung fĂŒr beliebige Winkel α ergibt sich zu
Wenn man fĂŒr den Winkel α 0°, 90°, oder 180° einsetzt, dann erhĂ€lt man die oben stehenden Gleichungen fĂŒr longitudinalen und transversalen Dopplereffekt. Man erkennt auĂerdem, dass der Winkel, unter dem der Dopplereffekt verschwindet, von der Relativgeschwindigkeit abhĂ€ngt, anders als beim Dopplereffekt fĂŒr Schall, wo er immer 90° betrĂ€gt.
Auch wenn die zu beobachtenden Auswirkungen von Dopplereffekt und astronomischer Rotverschiebung identisch sind (Verminderung der beobachteten Frequenz der elektromagnetischen Strahlung eines Sterns oder einer Galaxie), so dĂŒrfen beide trotzdem nicht verwechselt werden, da sie gĂ€nzlich andere Ursachen haben. Der relativistische Dopplereffekt ist nur dann Hauptursache fĂŒr die FrequenzĂ€nderung, wenn sich Sender und EmpfĂ€nger wie oben beschrieben durch die Raumzeit bewegen und ihr Abstand so gering ist, dass die Ausdehnung des zwischen ihnen liegenden Raumes im VerhĂ€ltnis gering ist. Ab einer bestimmten Entfernung ĂŒberwiegt bei weitem jener Anteil, der durch die Ausdehnung der Raumzeit selbst hervorgerufen wird, so dass der Anteil des hier diskutierten Dopplereffekts gĂ€nzlich vernachlĂ€ssigt werden kann.
Der Dopplereffekt tritt bei Echos von ausgesendeten akustischen und elektromagnetischen Signalen auf.
Beim Doppler-Radar berechnet man die AnnĂ€herungsgeschwindigkeit eines Objekts aus der gemessenen FrequenzĂ€nderung zwischen gesendetem und reflektiertem Signal. Die Besonderheit bei einem aktiven RadargerĂ€t ist jedoch, dass der Dopplereffekt zweimal auftritt. Auf dem Sendeweg vom Radar zum bewegten Objekt das erste Mal analog dem Fall Signalquelle in Ruhe, Beobachter bewegt: ein RadarwarnempfĂ€nger in diesem Objekt wĂŒrde eine einfache Dopplerfrequenz proportional zur Radialgeschwindigkeit messen. Reflektiert wird die Sendefrequenz plus dieser Dopplerfrequenz, das reflektierende Objekt kann als Signalquelle fĂŒr eine Frequenz gleich der ursprĂŒnglichen Sendefrequenz plus der Dopplerfrequenz angesehen werden. Dieses Signal unterliegt jetzt den Bedingungen analog dem Fall Signalquelle bewegt, Beobachter in Ruhe. Auf diesem Weg tritt die Dopplerverschiebung noch einmal auf, der EmpfĂ€nger im RadargerĂ€t registriert die zweifache Dopplerfrequenz.
In der Medizin wird der akustische Dopplereffekt bei Ultraschalluntersuchungen ausgenutzt, um die Blutstromgeschwindigkeit darzustellen und zu messen. Dabei hat er sich als auĂerordentlich hilfreich erwiesen. Es gibt dabei einen:
FĂŒr die berĂŒhrungslose Messung der Geschwindigkeitsverteilung von Fluiden (FlĂŒssigkeiten und Gase) wird die Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) angewandt. Eine andere Anwendung, die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV), betrifft die Messung der Schwingschnelle von OberflĂ€chen. Hier wird die durch die OberflĂ€chenbewegung hervorgerufene Frequenzverschiebung eines am Messpunkt reflektierten Laserstrahls zur Bestimmung der Schwingschnelle an diesem Messpunkt herangezogen.
Ein ruhender Beobachter hört eine Schallquelle, die sich genau auf ihn zu bewegt, mit der Frequenz f'zu(v/c), siehe Gleichung (1), wenn sie sich von ihm entfernt, mit der Frequenz f'weg(v/c), siehe Gleichung (2). Bei Schallquellen spielt der relativistische transversale Dopplereffekt keine Rolle. Je weiter der Beobachter von der linearen Flugbahn entfernt ist, desto langsamer Ă€ndert sich die radiale Geschwindigkeitskomponente bei AnnĂ€herung. Die Schnelligkeit der FrequenzĂ€nderung hĂ€ngt ab von der kĂŒrzesten Entfernung zwischen Beobachter und Signalquelle. Das Diagramm rechts zeigt die FrequenzabhĂ€ngigkeit relativ zu einem im Ursprung ruhenden Beobachter. Die rote Linie entspricht der Frequenz, die er hört, wenn ihn die Signalquelle in groĂem Abstand passiert, blau der bei geringem Abstand. Maximal- und Minimal-Frequenzen liegen nicht symmetrisch zur Eigenfrequenz, da die Geschwindigkeit v nicht sehr viel kleiner ist als die Schallgeschwindigkeit c. Es gelten die Beziehungen (1) und (2).
Sind die Koordinaten der bewegten Signalquelle bekannt, kann man aus dem Frequenzverlauf den eigenen Standort ableiten (siehe z.B. Transit (Satellitensystem)).
Die Tonbeispiele geben die Tonhöhen, die ein ruhender Beobachter hört, wenn eine Signalquelle an ihm vorbeifliegt. Sie vernachlÀssigen den Effekt, dass die sich entfernende Quelle lÀnger zu hören ist als die sich nÀhernde:
Erhöht sich die relative Geschwindigkeit, verschieben sich die Frequenzen: