background image

Ć w i c z e n i e   33 

 

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU NA PODSTAWIE 

EFEKTU DOPPLERA 

 
 

33.1 Opis teoretyczny 

 

Proszę zapoznać się z opisem teoretycznym do ćwiczenia nr 30 (rozdział 30.1) zawierającego opis 
fali dźwiękowej i sposób teoretycznego wyznaczenia jej prędkości. 
Gdy obserwator zbliża się do źródła fal o określonej częstotliwości, czy też oddala się od tego źró-
dła, to obserwuje on zmianę częstotliwości dochodzących do niego fal. Analogiczną zmianę często-
tliwości obserwuje nieruchomy obserwator, do którego zbliża się lub od którego oddala się źródło 
fal. Na przykład stojąc blisko toru kolejowego i wsłuchując się w gwizd nadjeżdżającej lokomoty-
wy, słyszymy wyraźny spadek wysokości dźwięku w chwili, gdy ona nas mija. Zjawisko to zostało 
wykryte w roku 1842 przez austriackiego uczonego Chr. Dopplera i nosi nazwę efektu Dopplera.  
Rozważmy oba przypadki: 

a)  

gdy obserwator porusza się względem nieruchomego źródła dźwięku 

Długość fali 

λ  , jej częstotliwość 

0

ν

 i prędkość rozchodzenia się 

u

 związane są zależnością: 

λ

u

ν

0

=

     (33.1) 

Gdy obserwator zbliża się do źródła dźwięku z prędkością V to prędkość fali względem niego jest 
większa (wynosi 

V

+

u

) i związku z tym słyszy dźwięk jako wyższy od rzeczywistego tzn. o czę-

stotliwości 

 

 

 

 

 

 

λ

ν

V

+

=

′ u

 

Podstawiając z zależności (33.1) 

0

ν

u

=

λ

 możemy zapisać: 

 

 +

=

+

=

u

V

1

ν

u

V

u

ν

ν

0

0

  

 

(33.1a) 

 

Gdy obserwator oddala się do źródła dźwięku z prędkością V, prędkość fali względem niego jest 
mniejsza (wynosi  

V

u

) i obserwowana przez niego częstotliwość dźwięku  też jest mniejsza od 

rzeczywistej: 

 

 −

=

′′

u

V

1

ν

ν

0

.  

 

(33.1b) 

 

b)  

gdy źródło dźwięku porusza się względem nieruchomego obserwatora  

Ruch źródła dźwięku powoduje równocześnie z rozchodzeniem się fali przesunięcie środka drgań. 
Wskutek tego długość fali 

λ  wytworzonej fali dźwiękowej, czyli odległość kolejnych zagęszczo-

nych warstw powietrza w kierunku ruchu źródła zmniejsza się ( i wynosi 

λ

), zaś w kierunku prze-

ciwnym wzrasta ( i wynosi 

λ

′′

). Słuszne są zależności: 

background image

 

0

V

u

ν

λ

=

  

przy zbliżaniu się źródła 

0

V

u

ν

λ

′′

=

+

  

przy oddalaniu się źródła 

 

Tym nowym długościom odpowiadają zmienione częstotliwości pozorne: 
przy zbliżaniu się źródła: 

u

v

1

ν

u

V

u

ν

ν

V

u

u

u

ν

0

0

0

=

=

=

=

λ

  

(33.2a) 

przy oddalaniu się źródła: 

u

v

1

ν

u

V

u

ν

ν

V

u

u

u

ν

0

0

0

+

=

+

=

+

=

′′

=

′′

λ

 (33.2b) 

 

Jak widać z powyższych rozważań należy rozróżniać przypadek poruszającego się nadajnika i poru-
szającego się obserwatora. Niesymetria wzorów (33.1a) i (33.2a) oraz (33.1b) i (33.2b) wynika stąd, 
że w obu przypadkach nieruchome jest środowisko, w którym rozchodzi się fala. Symetria taka 

będzie zachodzić jedynie przy spełnieniu warunku 

1

u

V 〈〈 : 

Np. przy tym warunku rozwijając wyrażenie (33.2a) w szereg i zaniedbując jego dalsze człony 
otrzymujemy wyrażenie (33.1a): 
 

 +

+

+

+

=

 −

=

u

v

1

ν

...

u

v

u

v

1

ν

u

v

1

ν

v/u

1

ν

0

2

0

1

0

0

 (33.3) 

 
Efekt Dopplera jest natomiast symetryczny ze względu na ruch źródła lub odbiornika dla fal elek-
tromagnetycznych. To odmienne zachowanie się fal elektromagnetycznych wynika z ich stałej 
prędkości propagacji w każdym układzie odniesienia i z relatywistycznej względności czasu. 
 

33.2 Opis układu pomiarowego 

 

Zestaw pomiarowy został przedstawiony na poniższym rysunku. 

Układ składa się z generatora drgań elektrycznych, który służy do pobudzania głośnika, umocowa-
nego na wahadle. Nieruchomy mikrofon zamienia drgania akustyczne na elektryczne, które prze-
chodzą przez wzmacniacz selektywny i są odbierane przez częstościomierz. 
 

W zestawie tym źródłem dźwięku jest wahający się  głośnik, a odbiornikiem nieruchomy 

mikrofon. Jest to więc przypadek opisany wzorami (33.2a,b), gdyż źródło dźwięku na zmianę raz 
się zbliża, a raz oddala od mikrofonu, który zastępuje ucho obserwatora. Ponieważ prędkość waha-
jącego się głośnika V w każdym położeniu jest znacznie mniejsza od prędkości dźwięku w powie-
trzu u, dlatego można zastosować przybliżenie (33.3) do obu wzorów, co daje w konsekwencji wy-
rażenie na odbieraną przez mikrofon częstotliwość dźwięku: 

background image

 ±

=

u

V

1

ν

ν

0

    

 

 

 

 

     (33.4) 

gdzie znak "+" dotyczy zbliżania się głośnika do mikrofonu a "-" oddalania. 

 

Rys 30.1. Schemat układu pomiarowego 

 

Pomiar będzie wykonywany w pobliżu maksymalnej prędkości głośnika (kąt wychylenia 

α bardzo 

mały), dlatego będzie można przyjąć,  że głośnik porusza się ruchem prostoliniowym w kierunku 
mikrofonu. W pracującym układzie pomiarowym okres wahającego się  głośnika wynosi ok. 3s a 
czas pomiaru częstotliwości 0,1s, dlatego warunek małego 

α będzie łatwy do spełnienia. Ponieważ 

prędkość wahającego się głośnika nie jest stała (a periodycznie zmienna) to musimy ją uśrednić w 
czasie, w którym dokonywany jest pomiar częstotliwości ( 0,1s).  
Po wychyleniu głośnika w lewo o d, jego ruch opisywać będzie wyrażenie: 

 

 





=

t

T

2

cos

d

x

π

 (33.5) 

 

gdzie:  x - wychylenie od położenia równowagi w danej chwili czasu t, a znak "-" oznacza, że wy-
chylenie w lewo traktujemy jako ujemne 
Prędkość głośnika V w dowolnej chwili czasu t wynosi: 

 

 





=





=

=

t

T

2

sin

V

t

T

2

sin

d

T

2

t

x

V

max

π

π

π

d

d

 (33.6) 

 

gdzie Vmax=

2

⋅ ⋅

g h

 jest maksymalną prędkością  głośnika, tj. prędkością przy przechodzeniu 

przez położenie równowagi (g - przyśpieszenie ziemskie, h - różnica wysokości w odniesieniu do 
położenia równowagi). 

background image

 

Rys. 33.2 Obszar uśredniania prędkości w wahadłowym ruchu głośnika 

 

Jak to wynika z rysunku, pomiar będziemy dokonywać w czasie 0,1s (1/30 T). Efekt Dopplera naj-
lepiej jest zauważalny przy dużych prędkościach głośnika i dlatego należy go mierzyć w pobliżu 
Vmax (14/60T ÷ 16/60T). Prędkość średnia w tym przedziale wynosi: 

 

max

T

60

/

16

T

60

/

14

max

T

60

/

16

T

60

/

14

max

V

998

.

0

T

2

cos

V

2

3

T

2

sin

V

1

.

0

1

V

=





−

=





=

t

dt

t

s

π

π

π

  

(33.7) 

 

Otrzymany wynik oznacza, że otrzymamy taką zmianę częstotliwości, jakby głośnik poruszał się ze 
stałą prędkością równą 0.998 Vmax. 
Przy zastosowaniu tej metody odbierana częstotliwość 

ν (zgodnie ze wzorem(33.4)) wynosić  bę-

dzie: 

 



±

=

 ±

=

u

2gh

0.998

1

u

V

998

.

0

1

0

max

0

ν

ν

ν

  

(33.8) 

gdzie: 

ν

0

 - częstotliwość spoczywającego głośnika, znak "+" dotyczy zbliżania się głośnika do mi-

krofonu a "-" oddalania. 
W praktyce wyniki bardzo odbiegające od teoretycznie przewidywanych należy potraktować jako 
błędy grube i odrzucić. 
Ponieważ częstotliwość generatora na ogół nie jest stała w czasie, to wygodniej jest stosować wzór 
(33.8) w postaci: 

 

u

gh

2

998

.

0

0

0

±

=

ν

ν

ν

  

 

(33.9) 

 

background image

Ostatni wzór pokazuje, że względna zmiana częstotliwości w efekcie Dopplera - w naszym układzie 
- jest proporcjonalna do pierwiastka z początkowej wysokości odchylenia głośnika od położenia 
równowagi h. Współczynnik proporcjonalności zawiera szukaną wartość prędkości dźwięku u. 

 

33.3. Przebieg pomiarów 

 

1) 

Zmierzyć 10 razy częstotliwość spoczywającego głośnika 

ν. 

2) 

Zmierzyć wysokość spoczynkową głośnika. 

3) 

Ustawić na zamontowanej suwmiarce pożądaną różnicę wysokości (h=9, 16, 25 cm), a następnie 
przesuwając ją na ławie optycznej (z jednoczesnym odwodzeniem głośnika) tak ustawić, aby od-
powiadało to wychyleniu głośnika na taką wysokość. Wtedy dopiero umocować  głośnik do 
uchwytu (linka mocująca głośnik powinna być napięta). 

4) 

Wypuścić z uchwytu głośnik i zmierzyć odbieraną częstotliwość 

ν dla jego maksymalnej pręd-

kości (przycisk wyzwalający częstościomierz, ze względu na bezwładność układu oraz czas re-
akcji oka, uruchomić tuż przed osiągnięciem tego maksimum). 

5) 

Podobnie zmierzyć odbieraną częstotliwość powracającego do uchwytu głośnika. 

6) Czynności wg punktów 2-5 powtórzyć 10 razy.  
7) Czynności wg punktów 2-6 powtórzyć dla trzech w/w. wysokości h. 
8) Zmierzyć temperaturę w pomieszczeniu. 
 

33.4. Opracowanie wyników pomiarów. 

 

1) 

Wyznaczyć średnią wartości 

0

ν

2) Wyznaczyć średnie wartości 

ν (dla poszczególnych wysokości i dla obu kierunków ruchu gło-

śnika) 

3) Wykreślić zależność 

( )

h

f

=

0

0

ν

ν

ν

 przy użyciu metody najmniejszych kwadratów w postaci 

dwu prostych (pamiętać, że funkcja przybiera dodatnie i ujemne wartości - dwa kierunki ruchu 
głośnika)  

4)  Z nachylenia otrzymanych prostych oraz w oparciu o wzór (33.9) wyznaczyć prędkość dźwię-

ku  u. 

5)  Na podstawie teoretycznego wzoru (30.3) wyznaczyć wartość 

κ. Przyjąć tak jak w ćwiczeniu 

nr 30 

]

[

29

m

g

N

A

=

 

6) Przeprowadzić rachunek błędów i wyciągnąć wnioski. 

 

 

33.5. Pytania kontrolne 

 

1.  Wyprowadzić wzory na zjawisko Dopplera w przypadku, gdy obserwator porusza się względem 

nieruchomego źródła dźwięku. 

background image

2.  Wyprowadzić wzory na zjawisko Dopplera w przypadku, gdy źródło dźwięku porusza się 

względem nieruchomego obserwatora. 

3.  Od czego zależy prędkość dźwięku ? 
4.  Omówić ruch wahadłowy głośnika i sposób uśredniania jego prędkości. 

 

L i t e r a t u r a 

 

[1] R. Resnick, D. Holliday, Fizyka dla studentów nauk przyrodniczych i technicznych t. I, PWN 

Warszawa 1965 

[2] Sz. Szczeniewski, Fizyka Doœwiadczalna t. I, PWN Warszawa 1972 
[3] Ch. Kittel, M. A. Ruderman, W. D. Knight, Mechanika, PWN Warszawa 1969 
[4] K. Blankiewicz, Badanie Rozchodzenia się dźwięku w powietrzu, Instrukcja Politechniki War-

szawskiej, Warszawa 1992