Quel effet physique décrit le changement de fréquence d'une onde lorsque la source et l'observateur sont en mouvement relatif ?

Le passage d’une ambulance fournit un exemple familier de l’effet Doppler : le son de la sirène paraît plus aigu lorsque le véhicule s’approche, puis plus grave lorsqu’il s’éloigne. Ce changement ne provient pas d’une modification de la sirène elle-même, mais de la variation de la fréquence reçue par l’observateur lorsque la source et lui sont en mouvement relatif. Décrit par le physicien autrichien Christian Doppler en 1842, ce phénomène concerne les ondes sonores comme les ondes électromagnétiques, notamment la lumière.

Une fréquence perçue différente

La fréquence correspond au nombre d’oscillations reçues par unité de temps. Lorsqu’une source sonore immobile émet des ondes dans l’air et qu’elle se rapproche d’un observateur, les fronts d’onde parviennent à celui-ci plus rapprochés : la fréquence perçue augmente et le son devient plus aigu. Quand la source s’éloigne, les fronts d’onde arrivent plus espacés et la fréquence diminue. Le même principe se vérifie si la source reste fixe et que c’est l’observateur qui se déplace. Dans les deux cas, c’est la composante du mouvement dirigée vers l’autre, ou qui l’en éloigne, qui détermine principalement le décalage observé. Pour les sons, l’interprétation dépend aussi du milieu de propagation, puisque le son se déplace dans l’air, l’eau ou un autre milieu matériel.

Le décalage de la lumière

L’effet Doppler s’applique également aux ondes électromagnétiques, qui n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se propager. En astronomie, le mouvement d’un astre modifie la fréquence de la lumière reçue. Lorsqu’un objet s’éloigne, ses raies spectrales sont déplacées vers les grandes longueurs d’onde, dans la direction du rouge : on parle de décalage vers le rouge. Lorsqu’il se rapproche, le déplacement s’effectue vers les petites longueurs d’onde, vers le bleu. L’analyse de ces décalages permet notamment de mesurer la vitesse radiale des étoiles, c’est-à-dire la part de leur vitesse orientée vers l’observateur ou dans la direction opposée. Les astronomes peuvent ainsi étudier les mouvements stellaires et repérer les variations périodiques provoquées par certains compagnons, comme des exoplanètes.

Des usages en médecine et dans les techniques de mesure

L’effet Doppler est aussi au cœur de l’échographie Doppler. Un appareil émet des ultrasons qui se réfléchissent notamment sur les globules rouges en mouvement. La fréquence de l’écho reçu varie selon la vitesse et la direction du flux sanguin, ce qui permet d’étudier la circulation dans les vaisseaux ou le fonctionnement de certaines structures cardiaques. Le même principe est exploité par des radars pour estimer la vitesse d’un véhicule à partir du décalage des ondes réfléchies. Dans tous ces cas, l’appareil ne se contente pas de détecter une onde : il compare la fréquence émise avec celle qui est reçue afin d’en déduire une information sur le mouvement. L’effet Doppler relie ainsi une variation mesurable de fréquence à la vitesse relative entre une source, un observateur ou un objet réfléchissant l’onde.