Travaux pratiques : Effet Doppler

Thèmes abordés

Sciences - Ingénierie - Industrie, Effet Doppler, signal sonore, électromagnétique, ondes, véhicules, radar, émetteur-récepteur d'onde, oscillateur Gunn, fréquencemètre, cible, circuit, fréquence, détecteur, tension d'alimentation, vitesse, dérivées partielles, méthode des pentes extrêmes, orientation, dispositif acoustique, GBF Générateur de Basse Fréquence, oscilloscope, propagation du son, expérience, graphes

Résumé du document

L'effet Doppler est le changement apparent de la fréquence d'un signal sonore ou électromagnétique sinusoïdal reçu par un observateur mobile par rapport à une source émettrice fixe. Cet effet peut être observable avec tout type d'ondes : électromagnétique, acoustique (dans ce TP cela correspond aux ultrasons), etc. Ce phénomène est très utilisé pour le contrôle de vitesse des véhicules.
Le but de ce TP est de montrer que la dérive de la fréquence du signal émis et son écho est proportionnelle à la vitesse du véhicule ainsi que l'influence de l'orientation du détecteur.

Extraits

[...] Celui-ci reçoit le signal à la fréquence ce qui provoque le premier effet Doppler. Dans la deuxième étape, le récepteur est une source mobile envoyant un signal à la fréquence sur le récepteur fixe du radar, qui reçoit ce signal à la fréquence f+fd provoquant ainsi le deuxième effet Doppler. fd est le glissement en fréquence entre le signal émis par l'émetteur du radar et le signal reçu par le récepteur . Première étape On vérifie la fréquence émise à l'aide du fréquencemètre. [...]

[...] Cette légère différence est due à quelques imprécisions du temps, ce qui implique une différence de vitesse. Cependant, si nous comparons ces deux résultats avec celle de la première manipulation où f0= 9834 MHz, on s'aperçoit une grande différence. Nous pouvons conclure que l'effet Doppler est influencé par l'orientation du détecteur. Dispositif acoustique Nous étudions ici le cas des ondes acoustiques. Le GBF est connecté à un émetteur placé face à un récepteur sur un chariot. Le signal du GBF est à 40 kHz. [...]

[...] cos 40c À l'aide du graphique de la variation de Δfd en fonction de vL, on Δfd =37,630vréelle +1,8695 Son incertitude (Méthode des pentes extrêmes): Δfd (incertitude)=amax-amin2=48,021-47,9552=0,033 On a donc Δfd =37,630vréelle +-0,033 Par identification 2f0*vréelle . cos 40c=37,630vréelle ⇒f0=37,630*3*1082*cos40 = 7368 MHz Pour le cas de 60°: Nous obtenons les résultats suivants : En traçant la courbe, nous obtenons une droite. On a la formule suivante : Δfd=土2f0xvLc avec c la célérité, vL la vitesse du véhicule. Comme le radar fait office de détecteur et émetteur, il y a un coefficient 2 devant l'expression. La vitesse v ainsi calculée est la vitesse radiale. La vitesse réelle vréelle est donc telle que : vL= vréelle . [...]

[...] C'est pourquoi la fréquence mesurée est le double de celle obtenue sans écran lorsque l'émetteur et le récepteur sont face à face. Conclusion Pour les ondes électromagnétiques ou acoustiques, les graphes de la variation de la dérive de la fréquence mesurée en fonction des vitesses sont des fonctions avec deux précisions différentes (l'expérience sur les ondes acoustiques étant plus précises). Nous avons pu démontrer au cours de ces expériences que la dérive de la fréquence est toujours proportionnelle à la vitesse du véhicule considéré (locomotive ou émetteur d'ondes acoustiques). Ainsi, dans ces deux cas, l'effet Doppler a été mis en évidence. [...]

[...] On obtient alors : f=9335+-1 MHz. Après cela on désaccorde le fréquencemètre de 50 MHz. Deuxième étape Cette fois-ci, on place l'ensemble émetteur-circulateur-détecteur dans l'axe de la grande ligne droite de la locomotive. On voudrait étudier la variation de la fréquence Doppler en fonction de la vitesse de la locomotive. Pour cela nous faisons varier la tension d'alimentation de la locomotive. Nous obtenons la vitesse en mesurant la distance entre les portes optiques et en relevant les valeurs du chronomètre correspondant au temps de trajet de la locomotive entre les portes optiques. [...]