L'effet Doppler : désormais largement accepté et facile à utiliser, malgré son rejet initial

Les ingénieurs sont familiarisés avec de nombreux « effets », s'étendant des effets largement utilisés, comme l'effet piézoélectrique, à ceux qui sont moins connus, comme l'effet pelliculaire RF, et même d'autres encore moins connus, comme l'effet Coanda, pour n'en citer que quelques-uns. Cependant, il existe un effet qui est largement connu et largement utilisé par les ingénieurs dans les systèmes de nombreuses disciplines : l'effet Doppler. Nommé ainsi en hommage au physicien Christian Doppler, qui a décrit le phénomène dans une étude théorique en 1842, l'effet Doppler est le changement de fréquence d'une onde périodique observée par un observateur qui est en mouvement par rapport à la source de l'onde (l'une des parties ou les deux peuvent être en mouvement).

En utilisant l'effet Doppler et le décalage Doppler associé, il est possible de déterminer le mouvement relatif (vitesse et accélération) d'un objet détecté tel que perçu par l'observateur. Il s'agit d'un phénomène polyvalent et essentiel de la physique des ondes qui possède une longue liste d'applications, variant d'une très petite échelle à une échelle extrêmement vaste, notamment :

• Doppler à ultrasons pour détecter le débit sanguin dans le système circulatoire.
• Doppler à ultrasons et RF pour détecter le mouvement des personnes dans une zone.
• Doppler optique pour déterminer la vitesse d'un véhicule autonome.
• Doppler RF dans un radar pour déterminer le mouvement des véhicules, des bateaux, des avions et même des engins spatiaux.
• Combinaison Doppler optique et RF pour mesurer la vitesse d'un engin spatial et même de corps astronomiques, tels que des étoiles et des galaxies (on parle souvent de « décalage vers le rouge » pour celles qui s'éloignent et de « décalage vers le bleu » pour celles qui se rapprochent).

Ces dernières années, les avancées technologiques ont utilisé l'effet Doppler pour améliorer de nombreux systèmes de détection. Par exemple, les premiers systèmes médicaux à ultrasons permettaient de mettre en évidence la présence et la taille des veines et des artères, et l'ajout de l'aspect Doppler permet de mesurer la vitesse du flux sanguin, ce qui constitue une amélioration majeure pour le diagnostic.

Le principe Doppler

Même s'il peut être défini avec des équations précises, l'effet Doppler peut également être décrit de façon conceptuelle. Lorsque la source d'ondes répétitives à fréquence constante se déplace vers l'observateur, chaque crête successive de la série d'ondes commence à une position qui est légèrement plus proche de l'observateur que la crête de l'onde précédente. Ainsi, chaque onde successive prend légèrement moins de temps que la précédente pour parvenir à l'observateur. S'ensuit alors un effet de réduction du temps d'arrivée entre les crêtes d'ondes successives jusqu'à l'observateur, ce qui correspond à une augmentation de la fréquence observée (Figure 1).

Figure 1 : À mesure que la source et l'observateur se rapprochent l'un de l'autre, la distance entre les crêtes d'ondes successives diminue, ce qui entraîne une augmentation de la fréquence perçue. L'inverse se produit lorsque les deux s'éloignent l'un de l'autre. (Source de l'image : Science Facts)

Dans le cas inverse, lorsque la source d'ondes s'éloigne de l'observateur, chaque onde suivante est émise depuis une position plus éloignée de l'observateur que l'onde précédente, ce qui étend l'espacement entre les crêtes. Comme le temps d'arrivée entre les ondes successives augmente et que ces crêtes s'écartent, la fréquence telle que déterminée par l'observateur est réduite.

Vous avez sans aucun doute déjà entendu et vécu l'effet Doppler lorsqu'une voiture qui klaxonne s'approche, puis passe devant de vous (Figure 2). La fréquence perçue augmente à mesure que la voiture s'approche (de même que l'intensité, bien sûr), puis chute soudainement lorsqu'elle est passée (là encore, tout comme l'intensité). Les avertisseurs sonores des trains produisent également cet effet bien audible et spectaculaire.

Figure 2 : À mesure que le véhicule s'approche à une vitesse constante, l'observateur entend un ton plus élevé régulier (graphique du haut) même lorsque l'intensité augmente progressivement (graphique du bas). Une fois le véhicule passé, le ton chute soudainement tandis que l'intensité diminue. (Source de l'image : ResearchGate)

Si la désignation d'effet Doppler est largement utilisée, il existe en réalité deux « mécanismes » physiques différents qui entrent en jeu et deux ensembles d'équations descriptives. L'un pour les ondes acoustiques et l'autre pour les ondes électromagnétiques. Pourquoi cette différence ? Pour les ondes d'énergie acoustique et les autres ondes d'énergie qui se propagent dans un milieu tangible (air, eau, voire éléments solides), la vitesse de l'observateur et la vitesse de la source sont mesurées par rapport au milieu dans lequel l'énergie est émise. Cela semble assez clair, et l'effet Doppler global observé est le résultat du mouvement de la source seule, de l'observateur seul, de la source et de l'observateur, et même du mouvement du milieu.

Toutefois, pour l'énergie électromagnétique (lumière, RF) qui ne nécessite pas de milieu tangible comme l'air, l'analyse Doppler est légèrement différente, et seule la différence relative de vitesse entre l'observateur et la source entre dans l'analyse. Cet aspect est associé à une hypothèse sur la relativité restreinte : l'un des postulats radicaux d'Albert Einstein dans son étude de 1905 était que la vitesse de la lumière par rapport à n'importe quel repère inertiel est une constante et est indépendante du mouvement de la source de lumière en elle-même.

Notez que dans de nombreux systèmes, la source de la fréquence et l'observateur se trouvent au même endroit, et l'effet Doppler est perçu comme une réflexion depuis une cible. Cela ajoute un facteur de deux aux équations concernées, mais le principe reste sinon inchangé.

Le Doppler de l'époque

L'explication de l'effet Doppler est presque intuitive pour nous, avec notre compréhension des phénomènes ondulatoires et les sources de fréquence et équipements de mesure disponibles. Christian Doppler a décrit le phénomène sous forme d'explication quant au changement de couleur de la lumière stellaire en fonction du mouvement des étoiles. Cependant, il n'y avait à l'époque aucun moyen de vraiment vérifier son affirmation. En fait, il a été ridiculisé par de nombreux autres physiciens éminents et a même été renvoyé d'une importante association de scientifiques en raison de ses idées « hérétiques ». Il a fallu plusieurs dizaines d'années, et l'incapacité des chercheurs à résoudre des incohérences au niveau des données enregistrées lors de diverses expériences portant sur l'effet éponyme qui n'ont pas pu être corrigées, pour qu'il l'emporte face à ses détracteurs.

Une avancée qui n'a aucun rapport a plaidé en sa faveur : le développement des voies de chemin de fer à cette époque, qui a permis de répéter de nombreux tests en utilisant le mouvement linéaire le long d'une voie ferrée avec un son à vitesse fixe (des musiciens ont même joué à bord d'un train !), et qui est ainsi venu confirmer ses affirmations. L'histoire des essais et des tribulations de Christian Doppler est racontée dans un article détaillé et annoté dans un récent numéro de Physics Today (voir les références). Voici un enseignement qu'il est utile de rappeler : les idées qui sont d'abord ridiculisées peuvent au final être acceptées comme étant « correctes » (pensez à Galilée qui affirmait que notre système s'organisait autour du soleil). Christian Doppler a fini par obtenir justice, car son nom est désormais la désignation standard de ses analyses et conclusions initialement rejetées.

Si l'effet Doppler est un phénomène très utile, c'est également une source de nombreux défis en matière d'ingénierie. Comment ça ? Même s'il peut être utilisé pour mesurer la vitesse, il affecte également la stabilité de fréquence. Par exemple, la fréquence porteuse nominale des satellites en orbite terrestre (comme les GPS) et des véhicules dans l'espace lointain (comme celui qui a récemment atterri sur Mars) est décalée en raison de l'effet Doppler. Les trajets d'émission et de réception doivent donc compenser ces décalages de fréquence et s'y adapter, ce qui peut être considérable étant donné les vitesses de ces véhicules.

L'effet Doppler à plus petite échelle

Malgré sa complexité, l'effet Doppler est si utile que de nombreux circuits et systèmes l'utilisent en tant que fonction primaire ou secondaire. Pour ce faire, les fournisseurs travaillent inlassablement pour créer des dispositifs utilisant l'effet Doppler qui soient plus faciles à intégrer, en développant des boîtiers plus petits avec une puissance inférieure, et en concevant des outils et des cartes de développement améliorés pour étendre leur utilisation.

La carte d'évaluation DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 d'Infineon Technologies est un exemple récent. Cette unité est conçue pour remplacer le détecteur de mouvement infrarouge passif (PIR) largement utilisé en offrant de meilleures performances, une meilleure réponse et une meilleure programmabilité par l'utilisateur, à l'aide d'une technologie à effet Doppler 60 gigahertz (GHz).

Figure 3 : La carte d'évaluation DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 d'Infineon Technologies fournit un détecteur de mouvement basé sur l'effet Doppler de 60 GHz qui est supérieur à l'approche PIR. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Basé sur le circuit intégré monolithique hyperfréquence (MMIC) de 60 GHz entièrement intégré BGT60LTR11AIP mesurant 3,3 mm × 6,7 mm × 0,56 mm (Figure 4), ce kit fournit un détecteur de mouvement basé sur l'effet Doppler et inclut des antennes en boîtier (AIP) avec un champ de vision à 80˚, ainsi que des détecteurs intégrés pour le mouvement et le sens du mouvement. Les paramètres de performances ajustables incluent la sensibilité de la détection, le temps de maintien et la fréquence de fonctionnement, et contrairement à de nombreux dispositifs de 60 GHz, celui-ci utilise un matériau de carte à circuit FR4 standard à faible coût.

Figure 4 : Le schéma fonctionnel du MMIC de détecteur de mouvement basé sur radar BGT60LTR11AIP d'Infineon montre sa complexité interne. (Source de l'image : Infineon Technologies)

Le kit de développement inclut le « shield » BGT60LTR11AIP, ainsi que la carte de base radar MCU7 d'Infineon. Le shield de 20 mm × 6,25 mm montre les fonctionnalités du MMIC BGT60LTR11AIP et offre à l'utilisateur une solution radar « plug-and-play ». Il est optimisé pour permettre le prototypage rapide de conceptions, l'intégration de systèmes et l'évaluation initiale des fonctionnalités.

Conclusion

L'effet Doppler est une pierre angulaire pour de nombreux systèmes modernes, car il quantifie l'utilisation de l'énergie à ondes électromagnétiques et acoustiques, ce qui est un moyen sans contact et presque instantané de déterminer le mouvement d'objets à distance. Il est utilisé dans divers environnements, du microscopique à l'astronomique. Heureusement, les composants et kits de développement modernes simplifient l'intégration de fonctions basées sur l'effet et le décalage Doppler, que ce soit lorsqu'il n'y a aucune autre alternative viable ou en tant que solution de rechange améliorée pour les approches existantes.

Références :

1 – Physics Today, "The fall and rise of the Doppler effect"

2 – NASA, "Doppler Shift"

3 – Université d'État de Géorgie, "Doppler Effect"

4 – Université du Connecticut, "Doppler Effect"

5 – Université de Virginie, "Doppler Effect"

6 – Wikipédia, "Effet Coanda"

7 – Wikipédia, "Effet de peau"