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Effet Doppler, audition et sources sonores : quelle relation ?

De quoi s'agit-il ?
Publié le Nov, 29, 2023

L’effet Doppler est un phénomène physique que nous observons plus souvent que nous le pensons dans la vie quotidienne. Nous le ressentons dans différents domaines, de la perception du son à celle de la lumière, mais il joue également un rôle important dans la médecine et l’ingénierie.

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Qu’est-ce que l’effet Doppler ?

Découvert en 1842 à Vienne par Christian Doppler, qui lui a donné son nom, l’effet Doppler concerne la perception de la fréquence d’une émission par un observateur statique en un point donné lorsque la source de la fréquence ou du bruit est en mouvement. 

L’effet Doppler concerne les ondes sonores, qui ont besoin d’un support matériel (l’air) pour se propager, et se manifeste par un changement de hauteur du son lorsqu’il s’éloigne ou se rapproche de la source. Toutefois, il concerne aussi les ondes électromagnétiques, qui n’ont besoin d’aucun support pour se propager.

L’effet Doppler est important dans divers domaines comme la médecine et la navigation, mais surtout en astrophysique et en cosmologie. En effet, c’est grâce à l’effet Doppler que Hubble a découvert en 1929 l’expansion de l’univers en réalisant que les galaxies s’éloignent de nous à une vitesse proportionnelle à leur distance. 

L’effet Doppler et sa relation avec l’audition

L’effet Doppler a un impact majeur sur notre perception auditive. Tout d’abord, il permet de comprendre si le son est en mouvement, s’il se rapproche ou s’éloigne, et par conséquent de réagir à des situations de danger éventuel ou simplement de laisser passer une ambulance. 

Comment fonctionne notre audition ?

L’ouïe est un sens très important, car elle nous permet de vivre notre vie quotidienne en toute sérénité. Ce processus qui semble si simple est en fait composé de plusieurs organes qui travaillent en synchronisation pour nous permettre d’entendre les sons et les bruits. 

Les ondes sonores sont en fait des vibrations qui pénètrent dans l’oreille et déclenchent des impulsions nerveuses que notre cerveau interprète comme des sons. Toutes les parties de l’oreille, aussi bien externe qu’interne, sont concernées. De l’extérieur, le pavillon et le conduit auditif captent les ondes sonores et les vibrations et les transmettent à l’oreille moyenne à travers le tympan, ce qui entraîne le mouvement du marteau, de l’enclume et de l’étrier. Ceux-ci touchent ensuite la cochlée. Les vibrations font bouger le liquide qu’elle contient, mais aussi les cellules ciliées qui l’entourent, activant les récepteurs nerveux et transmettant les signaux au cerveau, qui les traduit et les interprète, nous permettant ainsi d’entendre.

Les sons perçus par l’oreille humaine sont décrits par leur fréquence, mesurée en Hertz, et leur intensité, mesurée en décibels. Il existe cependant des sons qui ne peuvent pas être perçus par un être humain, mais qui sont ressentis comme des vibrations plutôt que comme des sons proprement dits. Les personnes souffrant de déficits auditifs ont donc une perception différente des personnes ayant une audition normale, et ont normalement du mal à entendre ces notes aiguës. 

De manière générale, même si vous pensez avoir une bonne capacité auditive, un contrôle régulier chez l’audioprothésiste est recommandé afin d’intervenir à temps et d’endiguer tout problème avec des appareils auditifs toujours plus discrets et minimalistes. 

Comment fonctionne l’effet Doppler ?

L’effet Doppler est la variation du son que nous percevons lorsqu’une source s’approche puis s’éloigne. Imaginons que nous soyons immobiles en un point donné, tandis que la source sonore se déplace. La fréquence des ondes diminue à mesure que la source et l’observateur s’éloignent, car les ondes parcourent une plus grande distance. Inversement, si l’espace entre la source et l’observateur se réduit, la fréquence augmente. Pour bien comprendre l’effet Doppler, il suffit de penser au son d’une ambulance qui s’approche : au début, nous le percevons comme faible puis nous l’entendons s’amplifier à mesure qu’il se rapproche, mais en réalité nous savons que la source du son produit le bruit avec la même intensité. L’effet est pratiquement identique que ce soit la source qui se déplace, l’observateur ou les deux. 

Exemples d’effet Doppler dans la vie quotidienne

Chaque jour, nous pouvons nous rendre compte de l’influence de l’effet Doppler sur les sons que nous percevons, qu’il s’agisse des bruits que nous entendons lorsque nous nous trouvons sur le quai d’une gare et qu’un train passe en sifflant, ou d’une ambulance qui passe sirène hurlante. Dans les deux cas, que nous soyons en mouvement ou immobiles, nous percevons un changement dans le son qui s’approche, passe et s’éloigne. Nous assistons d’une part au changement d’intensité du son, plus fort lorsqu’il se rapproche, plus faible lorsqu’il s’éloigne. Mais la fréquence varie également : plus basse lorsqu’il est distant, plus haute lorsqu’il se rapproche. L’effet Doppler résulte de la modification du temps nécessaire au son pour atteindre l’observateur

L’explication est très simple. Lorsque la source du son se rapproche de l’observateur, les ondes sonores doivent parcourir une distance plus courte et mettent moins de temps à nous parvenir, ce qui se traduit par une fréquence plus élevée, car nous percevons une plus grande quantité d’ondes sonores en un court laps de temps. Lorsque la source du bruit s’éloigne, les ondes doivent parcourir une plus grande distance qu’auparavant et la fréquence est réduite, ce qui produit un son plus grave.

Domaines d’application de l’effet Doppler

Les applications de l’effet Doppler sont variées et touchent différents domaines, de la médecine à la musique, du radar à l’astronomie.

  • En médecine, l’effet Doppler est utilisé pour mesurer la vitesse du flux sanguin à l’aide d’un instrument appelé écho-Doppler, qui dirige une source d’ondes sonores (généralement des ultrasons) qui sont ensuite retraitées pour comprendre la vitesse. 
  • Certaines formes de radar exploitent également l’effet Doppler pour mesurer la vitesse des objets. Un faisceau est projeté sur un objet en mouvement, comme une voiture en marche, et la vitesse est calculée à partir de ce faisceau. Ce même procédé est utilisé dans les prévisions météorologiques, car il permet d’identifier avec précision la distance, la vitesse et la direction des nuages ou des fronts nuageux
  • En astronomie, l’effet Doppler permet de mesurer la vitesse à laquelle les étoiles et les galaxies s’approchent ou s’éloignent, ou de comprendre la vitesse de rotation des étoiles et des galaxies
  • L’effet Doppler peut aussi trouver des applications en informatique. Via le microphone d’un ordinateur, il est possible de détecter avec précision le mouvement d’une main grâce aux ondes provoquées par le déplacement de l’air. Le microphone peut en effet devenir une sorte de contrôleur, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des dispositifs spéciaux. 

Tous ces domaines d’application ont le même fonctionnement de base, car ils reposent sur la fréquence des ondes. 

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