Étude analytique et acoustique de l'effet Doppler.

1. L'effet Doppler.

1.1. Le phénomène.

        • L'effet Doppler est le changement apparent de la fréquence d'un signal sonore ou électromagnétique reçu par un observateur fixe par rapport à une source émettrice mobile ; ou bien par un observateur mobile par rapport à une source émettrice fixe.

        • La variation apparente de fréquence dépend de la vitesse relative entre l'observateur et la source le long du chemin qui les sépare et de la célérité du signal sonore ou électromagnétique.

1.2. Décalage en fréquence engendré par un émetteur qui s'approche d'un observateur fixe.

1.2.1. Position du problème.

        • L'émetteur se déplace à la vitesse `color(navy)(vecv)` vers l'observateur qui est fixe.
        • L'émetteur est à la distance D de l'observateur et émet un premier « top » à la date t0 = 0 s.
        • Les ondes « acoustiques » se propagent avec la célérité c.

         Modélisation problème Doppler

1.2.2. Calcul du « décalage » Doppler de l'onde percue par l'observateur.


        • L'observateur reçoit le premier « top » à la date : `t_1 = D/c`.

        • L'émetteur envoie le deuxième « top » à la date : `t_2 = T_E`, où `T_E` est l'intervalle de temps entre deux « tops » ; c'est aussi la période de l'onde sonore (constituée de « tops »).

        • Pendant la durée `color(navy)(T_E)`, l'émetteur a parcouru la distance : `color(navy)(v.T_E)`.

        • Le récepteur reçoit le deuxième « top » à la date : `t_3 = T_E + {D - v.T_E}/c` ; où `{D - v.T_E}/c` est la distance qu'a dû parcourir l'onde émise par l'émetteur pour atteindre l'observateur.

        • L'intervalle de temps pendant lequel l'observateur reçoit successivement les « tops » est égal à : `t_3 - t_1` ; c'est aussi la période apparente `color(navy)(T_D)` avec laquelle il perçoit l'onde sonore émise par l'émetteur ; on écrit : `color(navy)(t_3 - t_1 = T_D)`.

        • Or : `t_3 - t_1 = T_E + {D  - v.T_E}/c - D/c` ; soit : `color(navy)(T_D = (1 - frac{v}{c}).T_E)`.

        • On observe que `color(navy)(T_D < T_E)` ; la période apparente perçue par l'observateur fixe est plus petite que la période du signal émis par l'émetteur mobile.

        • En terme de fréquence, on écrit : `f_D = 1/T_D` et `f_E = 1/T_E` ; il vient : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - frac{v}{c}})`.

        • On observe que `color(navy)(f_E < f_D)` ; la fréquence apparente perçue par l'observateur fixe est plus grande que la fréquence du signal émis par l'émetteur mobile.

1.3. « Décalage » Doppler engendré par un émetteur qui s'approche d'un observateur fixe suivant un angle d'incidence θ.

1.3.1. Position du problème.

       Effet Doppler incidence quelconque
        • Schématisons la situation :

        • La vitesse d'approche de l'émetteur n'est plus égale à v ; maintenant elle est égale à la projection orthogonale de `color(navy)(vecv)` suivant la direction Émetteur - Observateur, on note EH cette projection ; on a alors : EH = v cos(θ).

Remarque : Il s'agit de la vitesse dite « radiale »...

1.3.2. Expression du « décalage » Doppler.


        • Il vient alors : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - v/{c} cos(theta)}`.

Remarque : Il n'y a pas de décalage Doppler quand : `color(red)(theta = +-pi/2)`.

2. Étude analytique et graphique de l'effet Doppler.

2.1. Modélisation du problème.

        • Un émetteur mobile se déplace sur une route rectiligne à la vitesse constante `color(navy)(vecv)` ; il est « écouté »  par un observateur fixe situé sur le bord de la route.

        • Sur le schéma ci-dessous, nous représentons la situation.
        Modélisation effet Doppler
        • Un véhicule parcourt à la vitesse constante `vecv`, une route rectiligne comprise entre les points A et B ; il émet un son fonction sinusoïdale du temps de fréquence `color(navy)(f_E  = 880 Hz  (La_4))`. Un observateur est placé au point O sur le segment OM qui est la médiatrice du segment AB ; il « écoute » le son émis par le véhicule...

  Données numériques :
 - Vitesse du véhicule : v = 118,8 km.h-1.
 - Célerité des ondes acoustiques : c = 330 m.s-1.
 - Distance entre les points A et B : D = 264 m.
 - Distance entre les points O et M  : d =  26,4 m.

2.2. Hypothèses de travail.

        • On souhaite tracer le graphe de la fréquence `f_D` percue par l'observateur en fonction du temps.

        • On observe que le déroulement dans le temps est lié à la vitesse de déplacement du véhicule ; aussi nous allons exprimer l'équation qui décrit la fréquence Doppler percue par l'observateur en prenant en compte la vitesse du véhicule et le temps.

2.3. Expression analytique de la fréquence Doppler.

        • Nous exploitons l'expression : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - v/{c} cos(theta)}`, établie au paragraphe - 1.3.2.

2.3.1. Mise en forme des calculs.

        • Dans la relation : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - v/{c} cos(theta)}` ; `v, c, f_E` sont des constantes seul cos(θ) varie avec le temps.

        • À la date t0 = 0 s, le véhicule est en A ; à la date t « quelconque » le véhicule est en I...

        • Partant du triangle rectangle IMO rectangle en M, on peut écrire : `color(navy)(cos(theta) = {IM}/{IO})`.

        • Avec : `color(navy)(IM = D/2 - v t)` ; et `color(navy)(IO = sqrt(d^2 + (D/2 -v t)^2))`.

        • Il vient : `color(navy)(cos(theta) = {D/2 - v t}/{sqrt(d^2 + (D/2 -v t)^2)}`.

        • Conditionnons le calcul : `color(navy)(cos(theta) = {D/2(1 - {2v t}/D)}/{D/2sqrt({4d^2}/D^2 + (1 - {2v t}/D)^2)})` ; soit : `color(navy)(cos(theta) = {1 - {2v t}/D}/{sqrt({4d^2}/D^2 + (1 - {2v t}/D)^2)})`.

        • Posons : `color(navy)(T_{1/2} = D/{2 v})` ; c'est évidemment le temps mis par le véhicule pour parcourir la motié de la distance D ; et `T_{1/2} = {264xx3,6}/{2xx118,8}  s` ; soit : `color(navy)(T_{1/2} = 4  s)`.

Remarque : Nous avons dû convertir les km.h-1 en ms-1...

        • Il vient enfin : `color(navy)(cos(theta) = {1 - t/T_{1/2}}/sqrt({4d^2}/{D^2} + (1 - t/T_{1/2})^2))`.

2.3.2. Retour sur « l'aspect physique » du phénomène.

        • Partant des relations : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - v/{c} cos(theta)}` et `color(navy)(cos(theta) = {1 - t/T_{1/2}}/sqrt({4d^2}/{D^2} + (1 - t/T_{1/2})^2))`.

        •  Nous observons que lorsque le véhicule est à gauche du point M,  `0 le cos(theta) lt 1` ; et la fréquence perçue par l'observateur est telle que  `f_E lt f_D`, avec `t in [ 0, T_{1/2}]`.

        •  Nous observons que lorsque le véhicule est à droite du point M,  `-1 lt cos(theta) le 0` ; et la fréquence perçue par l'observateur est telle que  `f_D lt f_E`, avec `t in [ T_{1/2}, 2  T_{1/2}]`.

        •  L'expression que nous avons formulée pour cos(θ) traduit bien les observations !

2.3.3. Expression analytique de la fréquence Doppler en fonction du temps.

        •  Partant de la relation : `color(navy)(f_D = f_E/{1 - v/{c} cos(theta)}` et de  `color(navy)(cos(theta) = {1 - t/T_{1/2}}/sqrt({4d^2}/{D^2} + (1 - t/T_{1/2})^2))`.

        • Il vient : `color(navy)(f_D(t) = f_E/{1 - {v/{c}(1 - t/T_{1/2})}/sqrt({4d^2}/{D^2} + (1 - t/T_{1/2})^2))`.

        • À partir des données, on obtient : `color(navy)(f_D(t) =880/{1 - {0,1(1 - t/4)}/sqrt(0,04 + (1 - t/4)^2))  Hz` ; fonction qu'il est facile de programmer et de soumettre à un « grapheur » tel que gnuplot®.

2.4. Graphe donnant l'évolution de la fréquence Doppler en fonction du temps.

        Graphe décrivant l'effet Doppler.
Remarque : Ce graphe a été tracé à l'aide du logiciel gnuplot®.

        • Nous avons affaire à un signal modulé en fréquence  comme le prouve le graphe !

3. Illustration « sonore » de l'effet Doppler.

3.1. Propriétés d'un signal modulé en fréquence. 

3.1.1. Hypothèses relatives au signal modulé en fréquence.

        •  L'émetteur émet un son fonction sinusoïdale du temps, dont l'expression est donnée par : `color(navy)(s(t) = A sin(varphi_s(t)))`.

        •  `color(navy)(varphi_s(t))` : désigne la phase du signal sinusoïdal à la date t.

        • `color(navy)(omega_s(t) = {dvarphi_s(t)}/{dt})`: désigne la pulsation instantanée du signal sinusoïdal à ladate t.

        • On peut encore écrire : `color(navy)(omega_s(t) = 2 pi f_s(t))` où `color(navy)(f_s(t))` désigne la fréquence instantanée du signal sinusoïdal à la date t.

3.1.2. Hypothèse relative à l'évolution de la fréquence instantanée `f_s(t)` du signal en fonction du temps.

3.1.2.1. Expression « générale » de la fréquence `f_s(t)`.

        • Cette expression est de la forme : fs(t) = f0 +m(t), où m(t) désigne le signal modulant, et où f0 désigne la fréquence de la « porteuse » non modulée.

Remarque : On passe aisément de la fréquence `color(red)(f_s(t))` à la pulsation instantanée `color(red)(omega_s(t))` par la relation : `color(red)(omega_s(t) = 2 pi f_0 + 2 pi  m(t))`.

3.1.2.2. Expression « générale » de la phase `varphi_s(t)`.

        • Bien entendu : `color(navy)(varphi_s(t) = int_0^t(2 pi f_0 + 2 pi m(tau))d tau)` ; soit `color(navy)(varphi_s(t) = 2 pi f_0 t + 2 pi int_0^tm(tau)d tau)`.

        • Finalement il vient : `color(navy)(s(t) = Asin(2 pi f_0 t + 2 pi int_0^tm(tau)d tau))`.


3.1.2.3. Résumons.

        • L'expression de la fréquence instantanée `color(navy)(f_s(t))` du signal modulé doit être de la forme  : `color(navy)(f_s(t) = f_0 + m(t))` où `color(navy)(f_0)`  désigne la fréquence de la « porteuse » et où `color(navy)(m(t))` désigne le signal modulant.

        • L'expression de la phase instantanée `color(navy)(varphi_s(t))` du signal modulé doit être de la forme : `color(navy)(varphi_s(t) = 2 pi f_0 t + 2 pi int_0^tm(tau)d tau)`.

        • Aussi, partant de l'expression de la fréquence `color(navy)(f_s(t))`  du signal « réel » en fonction du temps, devrons nous identifier `color(navy)(f_0)` et le signal modulant `color(navy)(m(t))`, puis procéder à une intégration pour obtenir l'expression de la phase `color(navy)(varphi_s(t))` du signal sinusoïdal modulé...

3.2. Propriétés du signal Doppler « réel ».

3.2.1. Observation générale.

        • Nous avons bien affaire à un signal modulé en fréquence comme le prouve le graphe représenté au paragraphe - 2.4..

        • Cependant l'expression analytique de la fréquence `color(navy)(f_D(t) =880/{1 - {0,1(1 - t/4)}/sqrt(0,04 + (1 - t/4)^2))  Hz` ne permet pas d'identifier aisément la fréquence `color(navy)(f_0)`, tout comme l'expression du signal modulant `color(navy)(m(t))`.

3.2.2. Proposons une « stratégie » pour résoudre notre problème.

3.2.2.1. Exprimons `f_D(t)`
« ici » sous forme polynomiale.

        • Partant de l'expression analytique de `f_D(t)` rappelée au paragraphe - 3.2.1. , nous allons essayer de l'approcher  par un polynome de degré sept, d'expression :
 `color(navy)(f_D(t)) = f_0 + a_1.t + a_2.t^2 + a_3.t^3 + a_4.t^4 +a_5.t^5 + a_6.t^6 + a_7.t^7`.

        • Alors nous accéderons à `color(navy)(f_0)` et à `color(navy)(m(t) = a_1.t + a_2.t^2 + a_3.t^3 + a_4.t^4 +a_5.t^5 + a_6.t^6 + a_7.t^7)`.

3.2.2.2. Recherche
« pratique » de l'expression polynomiale de `f_D(t)`.

3.2.2.2.1. Mise en œuvre de la commande « fit » de gnuplot®.


Cet extrait de l'aide
:

        • La commande « fit » ajuste une expression à valeur réelle fournie par l'utilisateur à un ensemble de points de données, à l'aide de l'algorithme des moindres carrés non linéaires de Marquart-Levenberg. Il peut y avoir jusqu'à douze variables indépendantes, il y a toujours une variable dépendante et n'importe quel nombre de parmètres peut être ajusté. En option, des estimations d'erreur peuvent être entrées pour pondérer les points de données.

L'utilisation de la base d'ajustement est mieux illustrée par un exemple simple (codage « gnuplot® ») :
        f(x) = a + b*x + c*x**2
        fit f(x) "mesured.dat" using 1:2 via a, b, c
        plot "mesured.dat" u 1:2, f(x)

f(x) est la forme polynomiale que l'on cherche.
mesured.dat est un tableau que l'on fournit, donnant sur deux colonnes les  couples  (xi, yi)  par lesquels on veut voir passer  le graphe du polynome.
• L'algorithme détermine les coefficients a, b et c.

3.2.2.2.2. Mise en œuvre pratique de la commande « fit » de gnuplot® pour résoudre notre problème.

        • Ici on propose le tableau « fit_00.dat » construit à partir de l'expression analytique de la fréquence Doppler obtenue au paragrahe - 2.3.3. ; on prend un pas de 0,25 s comme l'intervalle de temps appartient à : t ∈ [ 0 s, 8 s ] ,  nous aurons trente trois valeurs...

-  Extrait du tableau « fit_00.dat » :
#  temps              amplitude
     0.0           975.672566445857
     0.25         975.39270812464
       ...                        ...
     7.75         801.603729490708
     8.0           801.414812194919

Forme polynomiale recherchée :    f(x) = f0 +a1*x + a2*x**2 + a3*x**3 + a4*x**4 + a5*x**5 + a6*x**6 + a7*x**7 ; il s'agit d'un polynome d'ordre sept...

Coefficients proposés après calcul .
   Final set of parameters         Asymptotique Standard Error
    f0 = 973.538                        +/- 4.485                  (0.4607%)
   a1 = 45.6736                        +/- 22.59                    (49.46%) 
   a2 = -122.682                       +/- 35.51                    (28.94%) 
   a3 = 112.735                        +/- 23.84                    (21.15%) 
   a4 = -46.6853                       +/- 8.046                    (17.23%) 
   a5 = 9.25906                        +/- 1.433                    (15.48%) 
   a6 = -0.872071                     +/-0.1287                   (14.76%) 
   a7 = 0.0314843                    +/- 0.004584              (14.56%) 

Graphe montrant l'ajustement entre la forme polynomiale et les points de mesure .

    Doppler ajustement polynomial
Remarque : Ce graphe a été tracé à l'aide du logiciel gnuplot®.

        • Ici l'accord est satisfaisant !

3.2.2.3. Expression de la phase `varphi_D(t) ` du signal Doppler.

3.2.2.3.1. Rappelons l'expression de la fréquence `f_D(t)` du signal Doppler.

        • `f_D(t) = f_0 + a_1.t + a_2.t^2 + a_3.t^3 + a_4.t^4 +a_5.t^5 + a_6.t^6 + a_7.t^7`.

        • L'expression du signal modulant est donné par : `m(t) = a_1.t + a_2.t^2 + a_3.t^3 + a_4.t^4 +a_5.t^5 + a_6.t^6 + a_7.t^7`.

3.2.2.3.2. Donnons l'expression de la phase `varphi_D(t)` du signal Doppler.

        • Nous savons que : `varphi_D(t) = 2 pi f_0 t + 2 pi int_0^tm(tau)d tau` ; grâce à la forme polynomiale, nous pouvons maintenant intégrer le signal modulant `m(t)` par rapport au temps !

        • Calculons : `int_0^tm(tau) d tau = int_0^t(a_1.tau + a_2.tau^2 + a_3.tau^3 + a_4.tau^4 +a_5.tau^5 + a_6.tau^6 + a_7.tau^7) d tau`.

        • Puis : `int_0^tm(tau) d tau = [a_1/2.tau^2 + a_2/3.tau^3 + a_3/4.tau^4 + a_4/5.tau^5 +a_5/6.tau^6 + a_6/7.tau^7 + a_7/8.tau^8]_0^t`.

        • Enfin : `int_0^tm(tau) d tau = a_1/2.t^2 + a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8`.

        • Et : `varphi_D(t) = 2 pi (f_0 t + a_1/2.t^2 + a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8)`.

3.2.2.3.3. Donnons l'expression du signal Doppler sD(t).


        • Partant de : `s_D(t) = A sin(varphi_D(t))`, il vient : `color(navy)(s_D(t) = A sin(2 pi (f_0.t + a_1/2.t ^2+ a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8))`.

3.3. Génération d'un fichier audio au format « .wav » à partir de l'expression analytique du signal Doppler sD(t) .

3.3.1. La méthode mise en œuvre.

        • À partir de l'expression analytique de sD(t), il est possible de construire un fichier de données contenant les couples (ti, sD(ti)) ; ti est la date à laquelle on échantillonne le signal sD(t), et sD(ti) représente l'amplitude de ce même signal à la date ti...

        • L'intervalle de temps tEch = ti+1 - ti est la période d'échantillonnage, suffisament courte pour qu'une sinusoïde représentative du signal soit échantillonnée plusieurs fois sur la durée de sa période, par exemple seize fois...

        • Ainsi pour un signal de fréquence 880 Hz (La4), la fréquence d'échantillonnage  est alors  égale à fEch = 880x16 Hz, soit fEch = 14080 Hz ; on préférera utiliser la valeur « normalisée » la plus proche : fEch = 16000 Hz.

        • Bien entendu, ici, ti prendra ses valeurs dans l'intervalle [ 0s, 8s ].

        • On construit alors le fichier « doppler.dat » dont on donne un extrait :
; Sample Rate 16000
; Channels 1
              0                                  0
   6.25e-05           0.37307739258
  0.000125           0.69219970703
       ...                            ...
7.9999375          -0.74465942383
               8          -0.91491699219

        • Le fichier contient deux lignes « commentées » : Sample Rate qui rappelle la fréquence d'échantillonnage du signal sD(t), et Channels qui indique le nombre de canaux audio traités ; ici il n'y a q'un seul canal. Bien entendu on trouve à la suite la liste des échantillons (ti, sD(ti)).

3.3.2. Génération du fichier « .wav ».

        • Le fichier de données « doppler.dat » doit être traité par un logiciel permettant d'obtenir un fichier audio !

        • Le logiciel SoX® (Sound eXchange, en français « échange sonore ») est un utilitaire pour Unix (dont Linux), MacOs et Windows, en ligne de commande, permettant la manipulation de sons et leur conversion dans différents formats audio.

        • Ainsi, en frappant la commande : sox doppler.dat doppler.wav, on obtient un fichier audio au format « .wav », illustrant ci l'effet Doppler (tout simplement) !

        • C'est ici que les deux lignes « commentées » montrent leur importance ; car elles sont nécessaires au bon déroulement du processus de conversion...

Remarque : Il est possible de faire l'opération inverse et d'extraire d'un fichier « .wav » le fichier « .dat » en frappant par exemple « ici » la commande : sox doppler.wav doppler.dat.

3.3.3. Écoute du fichier « doppler.wav ».


        

        • Cette écoute « traduit » bien l'effet Doppler !

3.4. Spectrogramme du fichier audio « doppler.wav ».

        • On donne à la figure suivante l'évolution de la fréquence du signal « doppler » en fonction du temps ; on trace son spectrogramme.

          Spectrogramme « doppler.wav »

Remarque : Ce graphe a été réalisé à l'aide du logiciel Audacity®.

         • On obtient bien le résultat attendu !

3.5. On prend en compte l'atténuation de la puissance acoustique liée à la distance D0 entre la source sonore et l'observateur.

3.5.1. Position du problème.

        • La puissance acoustique reçue par l'observateur est inversement proportionnelle au carré de la distance D0 séparant la source sonore de l'observateur : `P ∝ 1/D_0^2`.

        • Ici : `D_0 = sqrt(d^2 + (D/2 -v t)^2)`, soit encore `D_0 = dsqrt(1 + D^2/{4d^2}(1 -{2vt}/D)^2)`.

        • Compte tenu des valeurs numériques, il vient : `D_0 = dsqrt(1 + 25(1 -t/4)^2)`.

        • La distance D0 est maximale pour t = 0 s et t = 8 s ; alors `D_{0_max} = dsqrt(26)`, `D_{0_max} = 134,6  m`.

        • La distance D0 est minimale pour t = 4 s ; alors `D_{0_min} = d`, avec d = 26,4 m.

3.5.2. Expression de la puissance acoustique.

        • Le signal acoustique a comme expression `s_D(t) = A sin(2 pi (f_0.t + a_1/2.t ^2+ a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8)`, son amplitude A doît maintenant être pondérée part le terme `1/D_0`.

        • L'expression tremporelle du signal devient : `s_D(t) = A/{dsqrt(1 + 25(1 -t/4)^2)} sin(2 pi (f_0.t + a_1/2.t ^2+ a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8)`.

        • La puissance acoustique  du signal  sonore  est proportionnelle au carré de son amplitude  : Soit ici `P ∝ A^2/{d^2(1 + 25(1 -t/4)^2)}` , soit `P ∝ A^2/D_0^2` ; on montre bien que la puissance est inversement proportionnelle au carré de la distance séparant la source sonore de l'observateur !

        • La puissance acoustique maximale obtenue pour t = 4 s est proportionnelle à : `P_max ∝ A^2/d^2`.
 
        • La puissance acoustique minimale  obtenue pour t = 0 s et t = 8 s est proportionnelle à : `P_min ∝ A^2/{26d^2}`; et le rapport  `P_min/P_max`est égale ici à  : `P_min/P_max= 1/26`.

        • Ce rapport donné en decibels conduit au résultat : `10log(P_min/P_max)= -10log(26)  dB` ; `10log(P_min/P_max)= -14,15  dB`.

3.5.3. Construction du signal acoustique modulé en fréquence et en amplitude.

        • Partant de la nouvelle expression analytique du signal `s_D(t)`, soit `s_D(t) = A/{sqrt(1 + 25(1 -t/4)^2)} sin(2 pi (f_0.t + a_1/2.t ^2+ a_2/3.t^3 + a_3/4.t^4 + a_4/5.t^5 +a_5/6.t^6 + a_6/7.t^7 + a_7/8.t^8)`.

Remarque : On observe que dans cette expression n'apparaît plus la distance minimale d, a priori on affectera à la puissance maximale `P_max`la valeur 0 dB (en donnant à l'amplitude A la valeur 1) !

        • À partir de la nouvelle expression analytique de sD(t), on construire un fichier de données contenant les couples (ti, sD(ti)) ; ti est la date à laquelle on échantillonne le signal sD(t), et sD(ti) représente l'amplitude de ce même signal à la date ti...

        • L'intervalle de temps tEch = ti+1 - ti est la période d'échantillonnage, suffisament courte pour qu'une sinusoïde représentative du signal soit échantillonnée plusieurs fois sur la durée de sa période, par exemple seize fois...

        • Ainsi pour un signal de fréquence 880 Hz (La4), la fréquence d'échantillonnage  est alors  égale à fEch = 880x16 Hz, soit fEch = 14080 Hz ; on préférera utiliser la valeur « normalisée » la plus proche : fEch = 16000 Hz.

        • Bien entendu, ici, ti prendra ses valeurs dans l'intervalle [ 0 s, 8 s ].

        • On construit alors le fichier « doppler_module_en_amplitude.dat » dont on donne un extrait :
; Sample Rate 16000
; Channels 1
 0.0                0.0
 6.25e-05       0.0731647481999872
 0.000125      0.135767592493615
       ...                       ...
 7.9999375    0.195599447388499
 8.0                0.181272447324768

        • On génére le fichier « doppler_module_en_amplitude.wav » en frappant la commande : sox doppler_module_en_amplitude.dat doppler_module_en_amplitude.wav, on obtient un fichier audio au format « .wav », illustrant ci l'effet Doppler avec atténuation de la puissance acoustique avec la distance.

3.5.4. Écoute du fichier « doppler_module_en_amplitude.wav ».

      
 
       • Cette écoute « traduit » bien l'effet Doppler et montre l'atténuation liée à la distance entre la source sonore et l'observateur !

3.6. Observation du signal dans le domaine temporel.

          Doppler modulé en amplitude

Remarque : Ce graphe a été réalisé à l'aide du logiciel Audacity®.

         • On observe le signal dans l'intervalle de temps [0 s ,8 s].

3.7. Comportement fréquentiel au voisinage de 0 s et de 4 s.

3.7.1. Réponse fréquentielle au voisinage de t = 0 s.

          Doppler au voisinage de t = 0s

Remarque : Ce graphe a été réalisé à l'aide du logiciel Audacity®.

         • On observe le signal au voisinage de t = 0 s dans l'intervalle de temps [0 s , 0,128 s], ce qui correspond à la prise de 2048 échantillons.

         • Bien que le signal soit ici « sensiblement modulé en fréquence », on détecte un pic d'amplitude -14,1 dB pour la fréquence de 977 Hz, ce qui est tout à fait acceptable !

3.7.2. Réponse fréquentielle au voisinage de t = 4 s.

          Doppler gain t = 4 s

Remarque : Ce graphe a été réalisé à l'aide du logiciel Audacity®.

         • On observe le signal au voisinage de t = 4 s dans l'intervalle de temps [3,936 s , 4,065 s], ce qui correspond à la prise de 2048 échantillons.

         • Bien que le signal soit ici « sensiblement modulé en fréquence », on détecte un pic d'amplitude -0,1 dB pour la fréquence de 882 Hz, ce qui est tout à fait acceptable !

3.7.3. Rapport des puissances acoustique.

         • On écrit : `10log(P_min/P_max)= P_min dB - P_max dB`. Il vient `10log(P_min/P_max)= -14,1 - (-0,1)  dB`; soit `10log(P_min/P_max)= -14  dB`, on trouve bien le résultat attendu !

4. Remerciements.

        • Cette page n'aurait pas pu être composée sans les « outils » fournis par AsciiMath, à l'URL : <http://asciimath.org/>.

        • Cette page a pu être développée et affichée correctement grâce à l'utilisation du réseau de distribution de contenu MathJax (CDN). Toute la documentation relative à MathJax est accessible à l'URL : <http://docs.mathjax.org/en/latest/index.html>.

        • Les calculs et les graphes ont été réalisés à l'aide du logiciel gnuplot®, dont la documentation est accessible à l'URL : <http://www.gnuplot.info/>.
      
        • La génération du fichier « son » a été réalisée à l'aide du logiciel SoX® dont la documentation ici, une « page de manuel » (manpage)... est accessible à l'URL : <https://manpages.org/sox/>.

        • Le tracé du spectrogramme du signal « doppler »  a été réalisé à l'aide du logiciel Audacity® dont la documentation est accessible à l'URL : <https://www.audacityteam.org/download/>.

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