Effet Doppler et battements

L'effet Doppler décrit comment la fréquence perçue d'une onde change lorsque la source et l'observateur sont en mouvement relatif l'un par rapport à l'autre. Tu l'as sûrement déjà entendu sans le savoir : le son d'une ambulance semble plus aigu quand elle s'approche de toi, puis devient plus grave dès qu'elle s'éloigne, alors que la sirène elle-même émet toujours la même fréquence.

L'explication tient à la compression des fronts d'onde. Quand la source avance vers l'observateur, chaque nouveau front d'onde est émis un peu plus près du précédent : les fronts s'entassent devant la source, la longueur d'onde perçue diminue, donc la fréquence perçue augmente puisque v = λ × f et que v reste fixé par le milieu. À l'inverse, derrière la source qui s'éloigne, les fronts d'onde s'étirent : la longueur d'onde perçue augmente, la fréquence perçue diminue.

Ce phénomène a des applications essentielles : les radars routiers mesurent la vitesse d'un véhicule à partir du décalage de fréquence de l'onde réfléchie, et l'astronomie utilise le décalage Doppler de la lumière des étoiles pour savoir si elles s'éloignent ou se rapprochent de nous, révélant l'expansion de l'univers.

Les battements sont un phénomène différent, bien qu'apparenté aux interférences. Quand deux ondes sonores de fréquences très proches mais non identiques (f1 et f2) se superposent, l'amplitude résultante n'est pas constante dans le temps : elle varie périodiquement, tantôt renforcée, tantôt quasiment annulée, à une fréquence de battement égale à la valeur absolue de la différence des deux fréquences, f_battement = |f1 − f2|. C'est ce phénomène que les musiciens exploitent pour accorder deux instruments à l'oreille : tant qu'on entend un battement lent, les fréquences ne sont pas encore parfaitement égales ; le battement disparaît quand f1 = f2.

Ne confonds pas les deux phénomènes : l'effet Doppler change réellement la fréquence perçue à cause d'un mouvement relatif, tandis que le battement est une variation d'amplitude dans le temps, perçue même si la source et l'observateur restent parfaitement immobiles.

source immobile :        . . . . . . . .   (fronts equidistants)

source en mouvement -->  vers l'observateur (a droite)

   . .  . .  . . .  .    .   .    .     .
  (fronts compresses,     (fronts dilates,
   lambda plus petit,      lambda plus grand,
   frequence plus haute)    frequence plus basse)
              S -->