3.23. Эффект Доплера

Если вы встанете на железнодорожном переезде, когда поезд будет проноситься мимо и при этом гудеть, вам покажется, что частота гудка меняется. Почему? Будет ли она меняться от высокой частоты к низкой или наоборот?

ОТВЕТ • Движение источника звука относительно наблюдателя (в данном случае — слушателя, а им можете быть как вы, так и любой другой детектор звука) меняет частоту звука. Этот эффект называется эффектом Доплера. Главная причина этого сдвига частоты в том, что звук — это волна. Если источник звука неподвижен относительно вас, области высокого давления в звуковой волне проносятся мимо вашего уха с постоянной скоростью (частотой) — той, с которой они производятся источником. Так что вы слышите ту же самую частоту звука, которую производит источник, и никакого сдвига нет. Если, напротив, источник движется на вас, он излучает волну, которая направляется на вас, скорость пролета областей высокого давления мимо вас теперь больше, чем их скорость относительно источника, и вы слышите более высокую частоту. Если же источник звука движется от вас, эффект обратный: вы слышите звук более низкой частоты, чем та, на которой он испущен источником. Так что движение источника на вас сдвигает частоту вверх, а от вас — вниз, и величина сдвига зависит от скорости источника. Если источник звука движется под углом к линии, соединяющей источник и вас, эффект (величина сдвига) меньше, а если этот угол прямой, сдвига вообще нет.

Если вы поместите детектор звука между железнодорожными рельсами, вы сможете замерить доплеровский сдвиг гудка поезда. Частота гудка будет сдвинута на определенную величину вверх в течение всего времени движения поезда к детектору (пока поезд не окажется почти прямо над ним), а затем она сдвинется вниз на определенную величину, и пока поезд будет удаляться от детектора, гудок будет все время звучать на этой частоте.

Если же вы поместите детектор на некотором безопасном расстоянии, скажем, 20 м от железнодорожного пути, измерения покажут другое значение, и вот почему. Когда поезд приближается к детектору, его скорость относительно детектора будет постепенно уменьшаться, поэтому будет уменьшаться и доплеровский сдвиг. В результате большую часть пути при приближении поезда к детектору он будет гудеть на той же высокой частоте, которую регистрировал детектор, установленный на путях. Но когда он подъедет ближе, начнет сказываться то, что детектор расположен на расстоянии от рельсов, и частота будет резко падать, пока движение поезда не станет перпендикулярным направлению на детектор, и тогда частота прекратит меняться. А потом частота вновь начнет резко уменьшаться, пока не достигнет определенной низкой частоты, которая останется постоянной все время, пока будет слышен гудок.

Однако на наблюдения влияет и ваша психофизиология. Представьте себе, что вы детектор и стоите близко к железнодорожным путям, так что геометрический эффект не влияет. Вы должны слышать звук постоянной высокой частоты, когда поезд движется на вас, и звук постоянной низкой частоты, когда он движется от вас. Но, как ни удивительно, этого не происходит. Вместо этого вы слышите постепенное увеличение частоты при приближении поезда и постепенное уменьшение частоты при его удалении от вас. Такое восприятие частоты часто объясняют психоакустическим эффектом восприятия высоты тона (питч). В этой ситуации тон, который воспринимается мозгом, зависит от громкости звука. Поскольку, когда поезд приближается к вам, гудок постепенно становится громче, вам кажется, что частота звука повышается, но это ошибка. А когда поезд удаляется, звук постепенно становится тише, а вы ошибочно считаете, что частота понижается.