Der Dopplereffekt bei Schallwellen

Wenn sich Schallwellen ausbreiten, “registriert” der Empfänger der Schallwellen Wellen mit einer anderen Frequenz, als die Frequenz mit der die Quelle der Schallwellen schwingt. Dieses Phänomen kann man beobachten, wenn auf eine Person ein Fahrzeug mit Sirene zufährt. Kommt das Fahrzeug näher, registrieren wir einen höheren Ton, während wir einen tieferen Ton empfinden, wenn sich das Fahrzeug entfernt.

Diese Frequenzverschiebung wurde vom Physiker Christian Doppler beobachtet, nach dem der Dopplereffekt bei Schallwellen benannt ist. Der Dopplereffekt besagt, dass die “registrierte” Frequenz einer Schallwelle beim Empfänger von der Relativbewegung zwischen Sender (Quelle) und Empfänger abhängt.

Der Dopplereffekt bei Schallwellen

Wie eingangs erwähnt, registriert ein Empfänger Schallwellen mit anderer Frequenz, als diese vom Sender “gesendet” werden. Bewegt sich ein Fahrzeug (mit Sirene) auf einen Beobachter zu, erreichen diesen die Schallwellen mit höherer Frequenz, als wenn der Sender sich nicht bewegen würde.

Die Frequenzverschiebung, die sich durch die Relativbewegung von Sender und Empfänger ergibt, lässt sich mit dem “Dopplereffekt” bestimmen. Dabei wird unterschieden, ob sich der Sender bewegt oder der Empfänger.

 

Sender der Schallwellen bewegt sich:

Bewegt sich die Quelle bzw. Sender der Schallwellen, so bewegt sich der Sender relativ vom Empfänger und die Wellenlänge verändert sich um den Betrag “v · t”. Nähert sich der Sender dem Empfänger gilt für die “Verschiebung” der Wellenlänge “- (v · t)”. Entfernt sich der Sender vom Empfänger, so gilt eine Wellenlängenänderung um v · t.

Mit Hilfe der Zusammenhänge zwischen Wellenlänge und Frequenz (Wellenlänge = Lichtgeschwindigkeit : Frequenz) kann man folgende Formel aufstellen:

Die Frequenz von Schallwellen, die von einem bewegten Sender ausgehen und von einem ruhenden Empfänger “registriert” werden, lassen sich folgendermaßen bestimmen:

Dopplereffekt - bewegter Sender

 

Empfänger der Schallwellen bewegt sich:

Ruht die Quelle bzw. der Sender der Schallwellen, so bleibt die Wellenlänge (die sich im Medium, z.B. Luft, ausbreitet) gleich. Allerdings erreichen den Empfänger der Schallwellen die Schallwellen mit einer anderen Geschwindigkeit.

Die Frequenz von Schallwellen, die ein bewegter Empfänger “registriert”, lassen sich folgendermaßen bestimmen:

Dopplereffekt Schallwellen - bewegter Empfänger

Der Dopplereffekt bei Schallwellen – Testfragen/-aufgaben

1. Was ist der Dopplereffekt?

Der Dopplereffekt ist ein Phänomen in Physik und Akustik, das auftritt, wenn die Frequenz einer Welle für einen Beobachter verändert wird, weil die Quelle sich in Bezug auf den Beobachter bewegt.

2. Wie verändert sich der Klang einer Schallquelle, die sich auf uns zu bewegt?

Der Klang einer sich auf uns zubewegenden Schallquelle scheint höher zu werden. Das liegt daran, dass sich die Schallwellen zusammendrängen, was eine höhere Frequenz verursacht.

3. Wie verändert sich der Klang einer Schallquelle, die sich von uns weg bewegt?

Der Klang einer sich von uns wegbewegenden Schallquelle scheint tiefer zu werden. Das liegt daran, dass sich die Schallwellen auseinanderziehen, was eine niedrigere Frequenz verursacht.

4. Hat die Geschwindigkeit der Schallquelle Auswirkungen auf den Dopplereffekt?

Ja, die Geschwindigkeit der Schallquelle hat tatsächlich Auswirkungen auf den Dopplereffekt. Je schneller die Quelle, desto stärker der Dopplereffekt.

5. Was ist die Schallgeschwindigkeit?

Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Medium ausbreiten. In Luft beträgt sie bei Raumtemperatur etwa 343 Meter pro Sekunde.

6. Wie betrifft der Dopplereffekt das Ultraschallbild?

Im medizinischen Ultraschall wird der Dopplereffekt genutzt, um die Geschwindigkeit und Richtung des Blutflusses in den Blutgefäßen zu messen.

7. Kann der Dopplereffekt bei Lichtwellen beobachtet werden?

Ja, der Dopplereffekt kann auch bei Lichtwellen beobachtet werden. Dies wird als Rot- oder Blauverschiebung bezeichnet.

8. Was ist der Unterschied zwischen dem Dopplereffekt und der Schallgeschwindigkeit?

Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Medium ausbreiten, während der Dopplereffekt eine Veränderung der beobachteten Frequenz aufgrund der Bewegung der Quelle ist.

9. Wie wird der Dopplereffekt in der Radar-Technologie verwendet?

In der Radar-Technologie wird der Dopplereffekt verwendet, um die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objekts zu messen.

10. Wie verändert sich der Dopplereffekt, wenn die Schallquelle stillsteht und der Beobachter sich bewegt?

Wenn die Schallquelle stillsteht und der Beobachter sich bewegt, kommt es ebenfalls zum Dopplereffekt. Bei Annäherung erscheint das Signal höher in der Frequenz und bei Entfernung tiefer.

Autor: , Letzte Aktualisierung: 07. Dezember 2023