L'effetto Doppler: ora ampiamente accettato e facile da usare, nonostante il rifiuto iniziale

Gli ingegneri conoscono molti "effetti", da quelli ampiamente utilizzati come l'effetto piezoelettrico, a quelli meno conosciuti come l'effetto pelle RF e altri meno familiari ancora come l'effetto Coanda, tanto per fare qualche esempio. Ma ne esiste uno che è sia molto conosciuto che ampiamente utilizzato dagli ingegneri nei sistemi che interessano diverse discipline: l'effetto Doppler. L'effetto Doppler ha preso il nome dal fisico Christian Doppler che descrisse il fenomeno in un articolo teorico nel 1842. Si riferisce al cambiamento di frequenza di un'onda periodica percepito da un osservatore che si muove rispetto alla sorgente dell'onda (in movimento può essere la sorgente, l'osservatore o entrambi).

Applicando l'effetto Doppler e il relativo spostamento Doppler, è possibile determinare il movimento relativo (velocità e accelerazione) di un oggetto rilevato, percepito dall'osservatore. Si tratta di un fenomeno versatile e vitale della fisica delle onde, con una lunga lista di applicazioni, da quelle su scala molto piccola a quelle su scala estremamente grande, tra cui:

• Doppler a ultrasuoni per rilevare il flusso del sangue nel sistema circolatorio.
• Doppler a ultrasuoni e RF per rilevare il movimento delle persone in un'area.
• Doppler ottico per stabilire la velocità di un veicolo a guida autonoma.
• Doppler RF nel radar per determinare il movimento di veicoli, navi, aerei e persino veicoli spaziali.
• Doppler ottico e RF combinato per misurare la velocità dei veicoli spaziali e anche corpi astronomici come stelle e galassie, spesso indicato come redshift (spostamento verso il rosso dello spettro) per quelli che si allontanano e blueshift (spostamento verso il blu dello spettro) per quelli che si avvicinano.

Negli ultimi anni, i progressi tecnologici si sono serviti dell'effetto Doppler per migliorare molti sistemi di rilevamento. Ad esempio, mentre i primi sistemi medicali a ultrasuoni potevano mostrare solo la presenza e la dimensione di vene e arterie, con l'aggiunta della componente Doppler la diagnostica ha compiuto un deciso passo in avanti, potendo misurare la velocità del flusso sanguigno.

Il principio dell'effetto Doppler

Anche se l'effetto Doppler può essere definito con equazioni precise, lo si può descrivere anche concettualmente. Quando la sorgente di onde ripetitive a frequenza costante si muove verso l'osservatore, ogni cresta successiva della serie di onde inizia in una posizione che si trova leggermente più vicina all'osservatore rispetto alla cresta dell'onda precedente. Pertanto, per raggiungere l'osservatore ogni onda successiva impiega un tempo leggermente inferiore a quella precedente. Questo riduce a sua volta il tempo di arrivo, il che corrisponde a un aumento della frequenza percepita (Figura 1).

Figura 1: Man mano che la sorgente e l'osservatore si avvicinano, la distanza tra le creste successive dell'onda diminuisce, provocando un aumento della frequenza percepita. Quando invece si allontanano, si verifica il fenomeno opposto. (Immagine per gentile concessione di Science Facts)

Se si verifica il contrario, con la sorgente delle onde che si allontana dall'osservatore, ogni onda successiva proviene da una posizione più lontana dall'osservatore rispetto all'onda precedente, allungando così la distanza tra le creste. Poiché il tempo di arrivo tra le onde successive è aumentato, e queste creste si allontanano, la frequenza percepita dall'osservatore si riduce.

Senza dubbio avrete sentito e vi siete abituati all'effetto Doppler quando si avvicina e poi vi sorpassa un veicolo a sirena spiegata o un'auto il cui conducente suona il clacson (Figura 2). La frequenza percepita aumenta man mano che l'auto si avvicina (come l'intensità, ovviamente), poi improvvisamente scende quando passa (anche in questo caso, assieme all'intensità). Anche i fischi dei treni hanno lo stesso effetto facilmente udibile ed evidente.

Figura 2: Mentre il veicolo si avvicina a velocità costante, l'osservatore sente un tono sempre più alto (grafico in alto) anche se l'intensità aumenta gradualmente (grafico in basso). Quando il veicolo vi supera, il tono scende improvvisamente mentre l'intensità si riduce. (Immagine per gentile concessione di ResearchGate)

Anche se viene comunemente usata la designazione effetto Doppler, in realtà entrano in gioco due diversi "meccanismi" fisici e due serie di equazioni descrittive. Uno per le onde acustiche e l'altro per quelle elettromagnetiche. Perché questa differenza? Per l'energia acustica e altre onde di energia che si propagano in un mezzo tangibile (aria, acqua e anche solidi), la velocità dell'osservatore e quella della sorgente vengono misurate rispetto al mezzo in cui l'energia dell'onda viene trasmessa. Sembra piuttosto chiaro e l'effetto Doppler complessivo osservato è il risultato del movimento della sola sorgente, del solo osservatore, della sorgente e dell'osservatore e anche del movimento del mezzo.

Tuttavia, nel caso dell'energia elettromagnetica (luce, RF) che non richiede un mezzo tangibile come l'aria, l'analisi Doppler è un po' diversa e in essa entra solo la differenza di velocità relativa tra l'osservatore e la sorgente. Questo è associato a un presupposto della relatività speciale, dove uno dei postulati radicali di Albert Einstein nel suo documento del 1905 era che la velocità della luce rispetto a qualsiasi quadro inerziale è una costante ed è indipendente dal movimento della sorgente luminosa.

Occorre notare che in molti sistemi la sorgente della frequenza e l'osservatore si trovano nella stessa posizione e l'effetto Doppler è visto come una riflessione da un bersaglio. Questo aggiunge un fattore di due nelle equazioni pertinenti, ma per il resto il principio è invariato.

Cosa accadeva al tempo di Doppler?

La spiegazione dell'effetto Doppler è quasi intuitiva per noi, che conosciamo i fenomeni ondulatori, le fonti della frequenza e gli strumenti di misurazione disponibili. Doppler descrisse il fenomeno come una spiegazione di come il colore della luce di una stella cambiava con il movimento della stella. All'epoca non esistevano però mezzi per verificare in modo adeguato la sua affermazione. A causa delle sue idee "eretiche", fu deriso da molti altri fisici famosi e persino espulso da un'importante associazione scientifica. Ci sono voluti diversi decenni, e l'incapacità dei ricercatori di risolvere le incongruenze dei dati registrati da vari esperimenti che non erano stati corretti per il suo effetto eponimo, per convincere i suoi detrattori.

Il caso ha voluto che l'aiuto gli sia venuto da un altro campo. Lo sviluppo della ferrovia permise di eseguire prove ripetute utilizzando il movimento lineare e lungo un binario a una velocità fissa del suono (su un treno venne usata persino una banda musicale!), che contribuirono a confermare le sue affermazioni. La storia delle prove e delle tribolazioni di Doppler è raccontata in un articolo dettagliato e commentato apparso in un recente numero di Physics Today (v. Riferimenti). È una lezione che merita di essere ricordata: le idee che inizialmente vengono schernite possono finire per essere accettate come "corrette" (pensate a Galileo e alla sua visione eliocentrica del nostro sistema). Christian Doppler alla fine ottenne giustizia, dato che oggi la designazione standard per le sue analisi e conclusioni che inizialmente erano state respinte porta il suo nome.

L'effetto Doppler è un fenomeno molto utile ma è anche una fonte di molte sfide ingegneristiche. Perché? Anche se può essere usato per misurare la velocità, influisce anche sulla stabilità della frequenza. Ad esempio, la frequenza della portante nominale dei satelliti con un'orbita terrestre (come il GPS) e dei veicoli nello spazio profondo (come il recente Mars Lander) si sposta a causa dell'effetto Doppler. Quindi i percorsi di trasmissione e ricezione devono compensare e tener conto di queste variazioni della frequenza che, date le velocità di questi veicoli, possono essere sostanziali.

Doppler si fa più piccolo

Nonostante sia complesso, l'effetto Doppler è talmente utile che molti circuiti e sistemi lo usano come funzione primaria o secondaria. A questo fine, i fornitori hanno lavorato indefessamente per semplificare l'embedding dei dispositivi che utilizzano l'effetto Doppler, sviluppando contenitori più piccoli a bassa potenza e con schede e strumenti di sviluppo avanzati per espanderne l'uso.

Un recente esempio è la scheda di valutazione DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 di Infineon Technologies. Questa unità è progettata per sostituire il diffuso rilevatore di movimento a infrarossi passivo (PIR) e offrire prestazioni, risposta e programmabilità migliori da parte dell'utente utilizzando la tecnologia a effetto Doppler a 60 GHz.

Figura 3: La scheda di valutazione DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 di Infineon Technologies offre un sensore di movimento basato su Doppler a 60 GHz, le cui prestazioni sono superiori a quelle dell'approccio PIR. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Questo kit è basato sul circuito integrato monolitico a microonde (MMIC) da 60 GHz totalmente integrato BGT60LTR11AIP che misura 3,3×6,7×0,56 mm (Figura 4). Fornisce un sensore di movimento basato su Doppler e include antenne in package (AIP) con un campo visivo di 80°, oltre a rilevatori integrati per il movimento e la direzione del movimento. I parametri prestazionali regolabili comprendono la sensibilità di rilevamento, il tempo di mantenimento e la frequenza di funzionamento e, a differenza di molti dispositivi a 60 GHz, utilizza il materiale per circuiti stampati FR4 standard e a basso costo.

Figura 4: Il diagramma a blocchi del sensore di movimento basato su radar BGT60LTR11AIP di Infineon mostra la sua complessità interna. (Immagine per gentile concessione di Infineon Technologies)

Il kit di sviluppo include lo shield BGT60LTR11AIP, così come la scheda base radar MCU7 di Infineon. Lo shield di 20×6,25 mm dimostra le caratteristiche del MMIC BGT60LTR11AIP e dà all'utente una soluzione radar plug-and-play. È ottimizzato per la prototipazione rapida di progetti e l'integrazione di sistemi, così come per una valutazione iniziale di caratteristiche e funzioni.

Conclusione

Il rilevamento dell'effetto Doppler è una pietra miliare di molti sistemi moderni, poiché quantifica l'uso dell'energia delle onde elettromagnetiche e acustiche come mezzo senza contatto e quasi istantaneo per determinare il movimento di oggetti a distanza. È usato in diverse applicazioni, dal livello microscopico a quello astronomico. Fortunatamente, i componenti e i kit di sviluppo moderni semplificano l'inclusione di funzioni basate sull'effetto Doppler e lo spostamento, sia nei casi in cui non esiste un'alternativa valida, sia come sostituto migliore degli approcci esistenti.

Riferimenti:

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

2 - NASA, "Doppler Shift"

3 - Georgia State University, "Doppler Effect"

4 - University of Connecticut, "Doppler Effect"

5 - University of Virginia, "Doppler Effect"

6 - Wikipedia, "Effetto Coanda"

7 - Wikipedia, "Effetto pelle"