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近づいてくる音が高くなるドップラー効果が起きる理由

踏切で電車が通過するのを待っているとき、電車が近づいているときは電車の騒音が高く聞こえ、踏切を通過して遠ざかるときは低く聞こえるといった経験はないでしょうか。
また、電車に乗っているとき、踏切を通過するときに聞こえる、踏切の警報音でも同じ経験はないですか。
サイレンを鳴らした救急車が目の前を通過するとき、その他、音がするものが動くとき、あるいは音のする物のそばを通るとき、色々な場面で経験するものです。
これを、ドップラー現象またドップラー効果といいます。
なぜ、こんなことが起こるかは、図を書いてみれば理解できます。

ある 時刻aに音が出ているとします。
それから少し時間がたった時刻bには、音を出しているものは、あなたの居る方向に何メート ルか近づいています。
この時に出した音は、その何メートルか分だけ、時刻aに出た音に近づいているわけです。
ということは、音の速度が同じなら、音を出しているものが近づいてくる速度分だけ、音と音の間がつまるということです。それから少し時間がたった時刻 c についても同じです。
ドップラー効果が起きる理由の説明図

ところで、音は空気の波です。波には波長というものがあります。
波長の説明図
上の図で波の高さが0点から次の次の0点までを1波長としていますが、任意の点を選んでも同じです。

また、波には周波数といわれるものもあります。
たとえば、1波長を、一秒間に何回繰り返すかということです。
音の場合は、繰り返しが多くなる(周波数が高くなる)と高い音として聞こえます。
大きな音は波の一番高い点と一番低い点の差が大きいものです。

波の速度、波長、周波数には次の関係があります。
速度 = 周波数 × 波長 ・・・・・・式(1)
話は、最初の図に戻りますが、時刻aと時刻bに出た音の間は、音を出しているものがあなたに近づく速度分だけ詰まっていると説明しました。
音と音の間が詰まっているということは、波長が短くなっているということです。
式(1)を周波数を導くように変形すると
周波数=速度 / 波長   ・・・・・・・・・式(2)
式(2)で分かりますね。
普通、空気の物理的性質が均質とみなせる狭い地域で短い時間なら音の速度は一定と考えても良いので、音と音の間が詰まる、すなわち波長が短くなると周波数が高くなるのです。
音を出しているものが、あなたから遠ざかるときには、遠ざかる速度分だけ、音と音の間が伸びるわけです。
(音が空気中を伝わるときの波は、空気の濃い部分と薄い部分の繰り返しで伝わります。これを粗密波と呼び、 水面に出来る波とは違います。)

ドップラー現象の利用

人はドップラー現象に周波数の変化だけで無く、個人差はありますが、周波数変化より僅かな変化しかない位相の変化を感じ取ることが出来、音の強弱、周波数と位相の変化により音源の方向や音源までの距離の遠近を知ることが出来ます。 この事を逆手にとって、室内に設置した幾つかのスピーカー、或いはヘッドホンから流す音を変化させることによって自然な音が出ているように思わせる方法が 映画やテレビ放送で行われているサラウンドという再生音手法です。
もちろん、音の微妙な変化を利用できるのは人だけではありません、多くの生物は獲物を捕らえるためや身を守るために利用しています。

ドップラー現象は、波の性質を持つものに当てはまります。
ですから、音だけでなく、光、電波にもこの現象があり、警察がスピード違反を取り締まるために車の速度を測る機械(俗に言うネズミ捕りやレーダー)、 野球場で投手の投げるボールのスピードを測る機械などの他、医療で血液の速度を測ったり、身体の内部を映像にする機械に利用されています。
また、恒星が地球から遠ざかる速度を測るときにも使います。複数の星が1つの重心の周りを回っている分光連星を見つけるときも利用されています。
人工衛星などのように高速で移動している物体から出す電波もドップラー現象を受け、これらからの電波を受信するためには受信点と人工衛星の相対的速度に応じて受信周波数を変化させながら受信する必要があります。 人工衛星を使ったアマチュア無線を楽しんでいる方は経験されていると思いますが、比較的簡単に受信できるアメリカの気象衛星NOAAを受信でもドップラー現象があることが判ります。ただし、NOAAから送信されているVHF帯の画像信号は超広帯域FMなので画像受信には影響が少なく、信号強度の変化でドップラー現象が判ります。