도플러 효과

서로 가까워지는 경우 관측 진동수가 높아지고 파장이 짧아진다. 반대로 서로 멀어지면 진동수가 낮아지고 파장이 길어진다.^[3][5]

이 변화는 접근하는 기차의 소리를 설명하는 데 그치지 않고, 별의 상대속도를 알아보거나 스피드 건, 도플러 초음파와 도플러 레이더로 속도와 움직임을 측정하는 데도 쓰인다.^[3][4]

움직이는 파원이 소리를 내면 파면은 파원이 소리를 낸 위치마다 퍼져 나간다. 파원이 이동하는 앞쪽에서는 파면 사이 간격이 좁아져 파장이 짧아지고 진동수가 높아지며, 뒤쪽에서는 간격이 넓어져 진동수가 낮아진다.^[4]

사이렌을 울리는 경찰차나 기차가 다가올 때 소리가 높게 들리고, 지나가 멀어질 때 낮게 들리는 것이 익숙한 예다. 관측자가 고정된 파원 쪽으로 움직일 때도 파면을 더 자주 지나쳐 높은 진동수를 듣고, 파원에서 멀어질 때는 더 적은 파면을 지나쳐 낮은 진동수를 듣는다.^[3][4]

파원과 관측자 중 어느 한쪽 또는 양쪽이 움직이면 관측 진동수가 달라질 수 있다. 따라서 결과를 정할 때는 각자의 움직임뿐 아니라 서로의 위치와 상대 운동도 고려한다.^[3][4]

한 모의실험에서는 파원이 내는 소리를 261.63 Hz로 고정하고, 음속을 초당 340m로 설정했다. 파원과 관측자의 속력과 위치를 바꾸어 관측되는 음높이 변화를 살펴보며, 설정된 상황은 아음속·음속·초음속으로 구분된다.^[2]

광원이 관측자로부터 멀어지면 관측되는 빛의 주파수가 낮아지고 파장이 길어진다. 빛이 더 붉은 쪽으로 이동하는 이 현상을 적색편이라고 한다.^[3]

광원이 가까워질 때는 주파수가 높아지고 파장이 짧아져 빛이 더 푸른 쪽으로 이동하며, 이를 청색이동이라고 한다. 별빛의 적색편이 정도를 이용하면 지구에 대한 별의 상대속도를 구할 수 있다.^[3]

스피드 건은 차량을 향해 일정한 주파수의 초음파를 보내고, 차량에 반사되어 돌아온 신호의 주파수 변화를 측정한다. 이 변화량을 바탕으로 차량 속도를 계산한다.^[5]

도플러 초음파는 혈류 속도 측정에 활용될 수 있다. 기상 분야의 도플러 레이더는 폭풍 구름의 움직임을 추적하며, 비나 눈이 내리는 기상 전선의 속도와 방향을 파악하는 데 쓰인다.^[4]

조류 측정에서는 해저센서의 송수파기가 주파수 $f_o$의 신호를 보내고, 해수 중 미립자 같은 반사체에서 되돌아온 신호의 주파수 $f_r$를 측정한다. 반사체가 센서에 접근하면 수신 주파수는 송신 주파수보다 높고, 멀어지면 낮다.^[1]

센서는 서로 다른 방향을 향한 네 개의 빔으로 신호를 보내고 받는다. 각 빔에서 측정한 주파수 정보를 조합하면 조류의 속도와 X·Y 방향 성분별 속도를 산출할 수 있다.^[1]

1848년 아르망 피조는 빛의 고전적 도플러 효과를 설명했다. 1905년에는 알베르트 아인슈타인이 상대론적 도플러 효과를 설명했다.^[3]

천문학에서는 먼 은하의 빛에 나타난 적색편이를 바탕으로 은하의 이동속도를 계산할 수 있다. 허블은 이를 통해 지구에서 멀리 있는 은하일수록 더 빠르게 멀어진다는 관계를 발견했다.^[3]

• 파원과 관측자의 상대 운동
• 적색편이와 청색이동
• 도플러 레이더
• 스피드 건

^[1] Iincheon.mof.go.kr(새 탭에서 열림)

^[2] Pphysica.gnu.ac.kr(새 탭에서 열림)

^[3] Aastro.kasi.re.kr(새 탭에서 열림)

^[4] Oopenstax.org(새 탭에서 열림)

^[5] Tterms.tta.or.kr(새 탭에서 열림)