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ドップラー効果（ドップラーシフトとも呼ばれる）とは、波の発生源に対して相対的に移動している観測者から見た波の周波数、あるいはそれに相当する周期の変化のことである。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]この現象は、1842年にこの現象を記述した物理学者クリスチャン・ドップラーにちなんで名付けられた。ドップラーシフトの一般的な例としては、車両が観測者に近づいたり遠ざかったりする際に聞こえる音の高さの変化が挙げられる。発信された音と比較すると、受信される音は接近時にはピッチが高く、通過する瞬間にはピッチが同じになり、遠ざかる時にはピッチが低くなる。[ 4 ]
音波の発生源が観測者に向かって移動している場合、波の各サイクルは、前のサイクルよりも観測者に近い位置から放出されます。[ 4 ] [ 5 ]したがって、観測者の視点から見ると、サイクル間の周期または時間が短くなり、周波数が高くなります。逆に、音波の発生源が観測者から遠ざかっている場合、波の各サイクルは、前のサイクルよりも観測者から遠い位置から放出されるため、連続するサイクル間の周期または時間が長くなり、周波数が低くなります。
電磁波や重力波のように真空中を伝搬する波の場合、観測者と波源間の相対速度のみを考慮すればよい。音波のように媒質中を伝搬する波の場合、観測者と波源の速度は、波が伝搬する媒質に対する相対速度である。 [ 3 ]したがって、このような場合のドップラー効果全体は、波源の運動、観測者の運動、媒質の運動、またはそれらの任意の組み合わせによって生じる可能性がある。
ドップラーは、1842年に論文「双星と天空の他のいくつかの星の色光について」の中でこの効果を初めて提唱した。 [ 6 ]この仮説は、 1845年にブイ・バロによって音波について検証された。 [ p 1 ]彼は、音源が自分に近づくと音の高さが放出周波数よりも高くなり、音源が自分から遠ざかると音の高さが放出周波数よりも低くなることを確認した。イポリット・フィゾーは、1848年に電磁波で同じ現象を独自に発見した。フランスでは、この効果は「ドップラー・フィゾー効果」と呼ばれることもあるが、フィゾーの発見はドップラーの提唱から6年後であったため、この名前は世界の他の地域では採用されなかった。[ p 2 ] [ 7 ]イギリスでは、ジョン・スコット・ラッセルがドップラー効果の実験的研究を行った（1848年）。[ p 3 ]
光速よりはるかに小さい相対速度の場合、特殊相対性理論の影響は無視できる。すると、観測された周波数とおよび放射周波数媒質中を伝播する波の波動は次のように表される。[ 8 ] どこ
、、 そしてここでいう速度とはベクトルではなく、その大きさを表すものです。この関係式から、音源と受信機の間の距離が増加すると、受信機で観測される周波数は減少することが予測されます。なお、波の速度は音源の速度ではなく、媒質によって決まります。
音源が観測者に向かってある角度で（ただし速度は一定のまま）接近する場合、最初に聞こえる観測周波数は、音源が発した周波数よりも高くなります。その後、音源が観測者に近づくにつれて、観測周波数は単調に減少します。音源が相対運動に垂直な方向から来る場合（音源が最も接近した地点で発せられた場合。ただし、音波が受信される時点では、音源と観測者はもはや最も近い位置にはいません）、周波数は等しくなります。そして、音源が観測者から遠ざかるにつれて、単調に減少し続けます。観測者が音源の経路に非常に近い場合、高周波から低周波への変化は非常に急激です。観測者が音源の経路から遠い場合、高周波から低周波への変化は緩やかです。
静止した観測者と、観測者に向かって波の速度（またはそれ以上の速度）で移動する波源を仮定すると、ドップラー方程式は観測者の視点から無限大（または負）の周波数を予測します。したがって、このような場合にはドップラー方程式は適用できません。波が音波であり、音源が音速よりも速く移動している場合、結果として生じる衝撃波はソニックブームを発生させます。
レイリー卿は、音に関する彼の古典的な著書の中で、次のような効果を予測しました。観測者が（静止している）音源から音速の2倍の速度で移動している場合、その音源から以前に発せられた音楽は正しいテンポとピッチで聞こえるが、逆再生されているように聞こえるだろう。[ 9 ]
通過する緊急車両のサイレンは、静止時の音程よりも高い音で始まり、通過するにつれて徐々に下がり、観測者から遠ざかるにつれて静止時の音程よりも低い音程で鳴り続ける。天文学者のジョン・ドブソンはこの現象を次のように説明している。
サイレンが滑る理由は、サイレンがあなたに当たらないからです。
つまり、サイレンが観測者に直接接近する場合、車両が観測者に衝突するまで音程は静止音程よりも高い一定の音程を維持し、衝突後すぐに低い音程に変化する。車両が観測者のそばを通過するため、視線速度は一定ではなく、観測者の視線とサイレンの速度との間の角度に応じて変化する。 どここれは、物体の前方速度と、物体から観測者への視線との間の角度です。
光などの電磁波のドップラー効果は、星や銀河が私たちから近づいてくるか遠ざかる速度を測定するために天文学で広く利用されており、それぞれいわゆる青方偏移または赤方偏移を引き起こします。これは、見かけ上単一の星が実際には近接連星であるかどうかを検出したり、星や銀河の自転速度を測定したり、系外惑星を検出したりするために使用できます。この効果は通常非常に小さなスケールで発生するため、肉眼では可視光に目立った違いはありません。[ 10 ]天文学におけるドップラー効果の使用は、星のスペクトルの離散線 の正確な周波数の知識に依存します。
近傍の恒星の中で、太陽に対する視線速度が最も大きいのは、+308 km/s ( BD-15°4041、別名LHS 52、81.7光年離れている) と −260 km/s ( Woolley 9722、別名Wolf 1106およびLHS 64、78.2光年離れている) である。視線速度が正の場合は恒星が太陽から遠ざかっていることを意味し、負の場合は近づいていることを意味する。
宇宙の膨張とドップラー効果の関係は、単に観測者から光源が遠ざかることによって引き起こされるものではない。 [ 11 ] [ 12 ]宇宙論では、膨張による赤方偏移は、重力やドップラー運動による赤方偏移とは別個のものと考えられている。[ 13 ]
遠方の銀河は、宇宙論的な後退速度とは異なる特異な運動も示します。ハッブルの法則に従って赤方偏移を用いて距離を決定すると、これらの特異な運動によって赤方偏移空間の歪みが生じます。[ 14 ]
ドップラー効果は、一部のレーダーで検出対象物の速度を測定するために利用されています。レーダービームは、移動するターゲット（例えば、警察がスピード違反のドライバーを検出するためにレーダーを使用する自動車）がレーダー源に接近または遠ざかる際に発射されます。車がレーダー源から遠ざかる場合、レーダー波は車に到達するまでにそれぞれより長い距離を進み、その後、レーダー源付近で反射されて再検出されます。波が進む距離が長くなるにつれて、波の山と山の間の間隔が広がり、レーダーに戻ってくる放射線の波長が長くなります。逆に、レーダービームが接近する移動中の車に発射される場合、それぞれの波が進む距離は短くなり、波長が短くなります。どちらの場合も、ドップラー効果による計算によって車の速度が正確に求められます。例えば、24.15 GHz (K バンド) で動作する警察のレーダーが 30 m/s (108 km/h) で走行する車両を検出すると、約 4.83 kHz のドップラーシフトが測定されます。これは、現代のデジタル信号処理によって容易に検出できる変化です。[ 15 ]さらに、第二次世界大戦中に開発された近接信管は、ドップラーレーダーを利用して、爆発物を適切な時間、高さ、距離などで起爆させます。
コウモリは、蛾の位置を特定するために同様の方法でエコーロケーションを利用します。ドップラーシフトは、ターゲット（蛾）に入射する波の周波数に影響を与えます。波が蛾からコウモリに反射して戻ってくると、蛾は波の発信源として、コウモリは波の受信機として機能します。反射波の周波数は再びドップラーシフトされます。コウモリは、周波数で波を発信し、そして飛行中蛾が飛んでいる方向へ周波数[ 8 ]： 502の最終反射波を検出します。
心エコー図は、ドップラー効果を利用して、一定の範囲内で、任意の地点における血流の方向と血液および心臓組織の速度を正確に評価することができます。制限の 1 つは、超音波ビームが血流にできるだけ平行である必要があることです。速度測定により、心臓弁の面積と機能、心臓の左右間の異常な交通、弁からの血液の漏れ (弁逆流)、および心拍出量の計算を評価できます。ガス充填マイクロバブル造影剤を使用した造影超音波は、速度またはその他の流れに関連する医療測定を改善するために使用できます。[ 16 ] [ 17 ]
医療画像診断において「ドップラー」は「速度測定」と同義語となっているが、多くの場合、測定されるのは受信信号の周波数シフト（ドップラーシフト）ではなく、位相シフト（受信信号が到達するタイミング）である。 [ p 4 ]
血流速度測定は、産科超音波検査や神経学など、他の医療超音波検査の分野でも使用されています。ドップラー効果に基づく動脈および静脈の血流速度測定は、狭窄などの血管疾患の診断に有効なツールです。[ 18 ]
レーザードップラー流速計（LDV）、音響ドップラー流速計（ADCP）、音響ドップラー流速計（ADV）などの計測機器は、流体の流れにおける流速を測定するために開発されてきた。LDVは光線を、ADCPとADVは超音波バーストを発し、流れと共に移動する粒子からの反射波の波長におけるドップラーシフトを測定する。実際の流量は、水の流速と位相の関数として算出される。この技術により、非接触で高精度かつ高周波数の流量測定が可能となる。
もともとは医療用途（血流）における速度測定のために開発された超音波ドップラー速度計（UDV）は、粉塵、気泡、エマルジョンなど、懸濁粒子を含むほぼすべての液体において、リアルタイムで完全な速度プロファイルを測定できます。流れは脈動、振動、層流、乱流、定常、過渡など、あらゆる状態に対応可能です。この技術は完全に非侵襲的です。
衛星通信でもドップラー効果を補正する必要がある。高速で移動する衛星は、地上局に対して数十キロヘルツのドップラーシフトを起こすことがある。速度、ひいてはドップラー効果の大きさは、地球の曲率によって変化する。衛星が一定周波数の信号を受信するように、送信中に信号の周波数を段階的に変更する動的ドップラー補正が用いられる。[ 20 ] 2005年のカッシーニ・ホイヘンスミッションのホイヘンス探査機の打ち上げ前にドップラーシフトが考慮されていなかったことに気付いた後、探査機の軌道は、送信信号がカッシーニに対する移動方向に対して垂直に伝わるようにタイタンに接近するように変更され、ドップラーシフトが大幅に低減された。[ 21 ]
直接経路のドップラーシフトは、次の式で推定できます。[ 22 ] どこは移動局の速度です。は搬送波の波長です。は衛星の仰角であり、これは衛星に対する進行方向です。
衛星の移動による追加のドップラーシフトは、次のように表すことができます。 どここれは衛星の相対速度です。
レスリースピーカーは、有名なハモンドオルガンと最も関連が深く、主にその楽器で使用されているが、電気モーターを使ってスピーカーの周囲に音響ホーンを回転させることでドップラー効果を利用し、音を円状に放射する。その結果、聴き手の耳には鍵盤の音の周波数が急速に変動する音として聞こえる。
レーザードップラー振動計（LDV）は、振動を測定するための非接触式装置です。LDVから発せられるレーザー光を測定対象面に照射し、表面の動きによって生じるレーザー光の周波数のドップラーシフトから、振動の振幅と周波数を算出します。
ロボット工学における動的なリアルタイム経路計画は、移動する障害物のある複雑な環境でのロボットの移動を支援するために、しばしばドップラー効果を利用します。[ 23 ]このようなアプリケーションは、ロボットサッカーのように環境が常に変化する競技ロボットに特に使用されます。
1968 年以来、ヴィクトル・ヴェセラゴなどの科学者は、逆ドップラー効果の可能性について推測してきました。ドップラーシフトの大きさは、波が伝わる媒質の屈折率に依存します。一部の物質は負の屈折を起こすことができ、これにより、従来のドップラーシフトとは逆の方向に作用するドップラーシフトが生じるはずです。[ 24 ]この効果を検出した最初の実験は、 2003 年にイギリスのブリストルでナイジェル・セドンとトレバー・ベアパークによって行われました。[ 25 ]その後、逆ドップラー効果はいくつかの不均質な物質で観測され、ヴァヴィロフ・チェレンコフ円錐の内部で予測されました。[ 26 ]
GHzでは、30 m/sで移動する車両は、放射された搬送波周波数と反射された搬送波周波数の差を分析することによって測定され、4.83 kHzのドップラーシフトを生成します。
{{cite news}}: CS1 maint: 非推奨のアーカイブサービス (リンク) (2006年10月14日現在オフライン、インターネットアーカイブ版を参照)
ウィキメディア・コモンズにあるドップラー効果に関するメディア