도플러 효과로 소리를 어떻게 설명 가능한가요?

Question

도로에 소방차나 경찰차가 사이렌을 울리면서 지나갈 때 차와 가까워지면 소리가 점점 높아지고, 멀어질 수록 소리가 점점 낮아지는데 도플러효과로 어떻게 설명 가능한지 궁금합니다.

Answer 1

소리를 내는 장치와 소리를 듣는 대상은 각각 서 있을 때와 가까워질 때, 그리고 멀어질 때의 음높이가 전부 다릅니다. 이를 도플러 효과라고 합니다. 1842년 오스트리아 과학자 도플러(Doppler, Christian Johann; 1803~1853)가 발견해 도플러 효과(Doppler effect)라고 부릅니다.

소리는 공기를 주기적으로 흔드는 파동입니다. 파장이 일정 간격을 두고 진동하는 정도가 '파장'입니다. 파장이 길수록 낮은 소리가 납니다. 소방차가 듣는 사람을 지나치는 순간 음높이가 낮아졌다는 건, 소리의 파장이 길어졌다는 뜻입니다.

도플러 효과는 파동을 내는 장치와 듣는이가 가까워지거나 멀어지는 경우 듣는이가 느끼는 파장이 바뀌는 현상을 말합니다.

영상의 왼편에 사람이 서 있다고 가정해볼까요? 자동차가 서 있을 때는 자동차가 일으킨 파동이 일정 간격으로 전해집니다. 그러다가 차가 사람쪽으로 가까이 다가옵니다. 그러면 차로부터 전해지는 파장이 감소하는 걸 발견할 수 있죠. 이렇게 되면 차가 서 있을 때보다 더 높은 음의 소리를 듣게 됩니다.

그런데 파장이 점차 길어지는 지점이 있죠? 바로 차의 뒤편입니다. 영상의 오른편에 사람이 있다면 차가 멀어질수록 파장이 길어져 차가 서 있을 때 들리던 음보다 낮은 음을 듣게 됩니다.

구급차가 싸이렌 소리를 내며 지나가는 경우에도 마찬가지입니다. 차가 가까이 다가오면 싸이렌 소리가 높아집니다. 나를 지나쳐 멀리 떠나가면 싸이렌 소리는 음이 낮아집니다.

소리뿐 아니라 빛 등 다른 파장도 같은 효과를 가지고 있어요. 빛의 경우 '적색편이' 혹은 '청색편이'가 일어나는데요. 태양계 밖 행성, 즉 외계행성을 찾는데 이 기술을 이용하고 있습니다.

만약 진동을 처음 만든 '파원'이 파동의 이동 속도보다 빠르다면 어떻게 될까요? 즉, 물체가 '초음속'으로 날아갈 때 소리는 어떻게 될까요?

물체가 우측으로 초음속 이동합니다. 이동 경로를 따라 파동이 발생합니다. 그런데 물체가 마하1로 음속을 돌파할 정도로 빠르다보니 매순간 재빨리 생긴 파동이 한 데 모이는 지점이 생깁니다. 이 과정에서 공기 압축이 일어나고 커다란 충격파가 물체 주변에 생성되는데요. 이때 나는 소리가 마치 폭발음처럼 들리는 게 소닉붐입니다.

'총소리'도 같은 원리입니다. 처음 발사 시 총알의 속도는 900~1,000m/s이고 공기 저항으로 느려져도 400m/s인데 반해, 소리의 속력은 340m/s로 더 느립니다. 따라서 폭발하는 소리가 나는 거죠.

파원의 속도가 파동의 속도보다 빨라서 파동이 강하게 더해지는 현상은 바다나 강가에서도 볼 수 있습니다. 보트가 물살을 가르며 지나갈 때인데요. 지나간 보트 뒤로 높은 물결파가 생겨 밀려오는 장면을 보셨다면 파원인 배가 물결파보다 빠르게 가기 때문이라는 걸 알 수 있습니다.

Answer 2

소리의 전파는 도플러 효과로 인해 진동수가 증가하거나 감소합니다.
예를 들어 빠르게 다가오는 차의 경우 관측자 입장에서는 진동수가 증가하게 됩니다.

따라서 소리가 점점 높아지고, 멀어지는 경우는 진동수가 감소하게 되므로 점점 낮아집니다.

Answer 3

안녕하세요.

소리는 파동입니다.

사이렌의 소리가 울려퍼지면 파동이 퍼지겠죠. 수면에 돌을 던질 때 처럼요.

이 때 차량이 움직이면 움직이는 방향 쪽의 파장이 짧아집니다.

반대편은 파장이 길어지겠죠.

파장이 짧아지면 더 높은 주파수가 되고 반대편은 낮은 주파수가 됩니다.

하지만 관측자와 발생원(차량)의 상대속도의 크기에 따라 효과가 달라져 일반적인 실생활에서는 크게 느끼지 못할 듯 합니다.