Bir dalga kaynağının veya gözlemcisinin hareket etmesi sonucu dalgada gözlemciye göre meydana gelen frekans değişimine doppler olayı denir. Doppler olayı ışığı oluşturan fotonlarda veya ses dalgalarında gözlenebilmektedir. Doppler olayını, dalganın yayılması için gereken ortama göre iki sınıfta inceleyebiliriz. Yayılması için ortama ihtiyaç duyan dalgalarda (örneğin ses dalgaları, su dalgaları) hesaplama yapılırken ortamın özellikleri göz önünde bulundurulurken ortama ihtiyaç duymayan dalgalarda (örneğin ışık dalgası) sadece kaynak ve gözlemcinin konumları göz önünde bulundurulur.
Işıkta meydana gelen doppler olayı sayesinde yıldızların hareketlerini inceleyebiliriz. Dünya’dan uzaklaşan bir yıldızın gözlenen ışığı kızıla kayar. Edwin Hubble uzak galaksiler üzerinde yaptığı incelemeler sonucu uzak yıldızlardan gelen ışınların (fotonların) kızıla kaydığını ve bunun sonucu olarak evrenin genişlediğini keşfetmiştir.
Ses dalgalarında gerçekleşen doppler olayına en iyi örnek; arabaların kornalarından çıkan sesin frekansının araba bize yaklaşırken daha yüksek, uzaklaşırken daha düşük olması verilebilir. Polislerin kullandığı hız ölçüm aletleri doppler olayından yararlanarak araçların hızını tespit eder.
Doppler etkisi konusunda bilinmesi gereken en önemli husus, her ne kadar gözlemci dalga frekansının kendi hareketi ya da dalga kaynağının hareketi yüzünden değiştiğini algılasa da, aslında kaynağın yaydığı dalganın frekansının sabit kaldığı gerçeğidir.
Ses Dalgasında Doppler
Ses dalgalarında meydana gelen doppler olayı, hareketli kaynağın hızının ses hızından yavaş olduğu durumlarda gözlenir.
Normal Ses Dalgası
Kaynak hareket etmiyorsa dalgalar kaynak etrafında simetrik olarak yayılır. Frekansı Fk olan bir kaynak, özellikleri değişmeyen bir ortamda λ dalga boylu V hızıyla hareket eden dalgalar yayıyorsa; “
” şeklinde formulize edilir.
Hareketli Kaynak veya Gözlemci Durumlarında
Gözlemci veya kaynağın hızı, ses hızını geçmediği sürece aşağıdaki formülü kullanabiliriz.
Formülün çıkış noktasını aklımızda canlandırarak bulabiliriz;
- Hareketsiz bir kaynaktan çıkan dalgaların dalga boyları siz kaynağa doğru hareket ettikçe görece kısalır. Bu kısalma sesin ortamdaki yayılma hızı sabit kaldığı için (ilk formülden dolayı) frekans değişimi olarak hissedilir. Yani hissettiğimiz dalga boyu kısalır, frekans artar.
- Benzer bir durum, kaynağın size yaklaştığı ve sizin hareketsiz olduğunuz durumlar için de geçerlidir. Kaynak size doğru yaklaştığı için hissettiğiniz dalga boyu kısalır ve algıladığımız frekans artar.
- Başka bir senaryoyu; sizin kaynaktan değil, kaynağın sizden uzaklaştığını ve sizin sabit durduğunuzu düşünürsek. Hissettiğiniz dalga boyu artacak ve sabit kalan hızla birlikte düşük frekans olarak algılanacaktır.
- Benzer bir doppler durumu kaynaktan uzaklaştığınız zaman da gerçekleşir. Bu sefer dalga boyu aynı yönde hareket ettiğiniz için görece uzun gelecektir. Dalga boyundaki artış, sabit kalan hız ile birlikte düşük frekans olarak hissedilecektir.
Yukarıdaki canlandırmalardan dolayı, verdiğimiz formülde;
- Kaynak ve gözlemci arasındaki uzaklık azalıyorsa (+vg ) ve (-vK) kullanılır.
- Kaynak ve gözlemci arasındaki uzaklık artıyorsa (-vg ) ve (+vK) kullanılır.
Şok Dalgaları
Işığın aksine ses hızı geçilebildiği için, ses dalgalarında şok dalgaları dediğimiz durumlar olabilmektedir. Yukarıda verdiğimiz denklemde gözlemcinin durağan olduğu kabul edilir ve uzaklaşan kaynağın hızı sesin hızına eşit kabul edilirse gözlemlenen frekansın limiti sonsuza gider. Yani dinleyiciye sonsuz sayıda dalga tepesi ulaşır. Kaynağın hızı ses hızından büyük olursa dalgalar kaynağın gerisinde kalır. İlerleyen bir dalga kaynağının hızı, dalgaların hızını aşarsa şok dalgaları oluşur.
Şok dalgalarını günümüzde ses hızını aşan uçaklarda gözlemlemekteyiz.
