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9. 도플러 효과 (Doppler Effect)


음원의 관측자가 움직이고 있을 경우 이동 방향에 의하여 들리는 음의 크기는 다르게 된다. 즉 음원과 관측자의 상호 이동방향에 의해 청취자에게 들어오는 음의 주파수에 변화가 온다. 이것을 도플러 효과라 한다. 이것은 1842년 도플러가 처음 연구한 것으로 상대적인 효과를 무시했을 경우 일직선상을 음원과 관측자가 한 매질에서 V1과 V2의 속도로 움직일 때 음원의 주파수를 f0, 관측자에게 관측되는 주파수를 fr이라 하고 매질 내에서 관계식은 음파의 속도를 C라고 하면 (음원에서 관측자로 향한 방향을 +로 하였다.)
fr = f0(C-V2)/C-V1 으로 표시한다. 그러므로 음원과 관측자가 서로 가까워 질 때에는 주파수는 크게 되고 멀어질 때는 작아지게 된다. 이와 같이 음원과 관측자의 이동방향에 따라서 변화되는 음원의 주파수와 관측되는 주파수 차이를 도플러 편향이라고 한다. 초음파 진단에서 매질의 경계면이 음원을 향해 움직일 경우나 그 반대의 경우 반사음의 주파수는 다르게 나타난다. 움직이는 조직의 경계면이 음원을 향해 V[m/sec]로 이동하고 음원에서 출력되는 음의 주파수를 f0, 그리고 반사면에서 반사음의 주파수를 fr이라고 할 때 도플러 편향을 fD로 한다면,
fD = f0 - fr = 2f0V/C 로 표시되며 C는 매질 중에서의 음파 속도이다.

반사면의 이동에 의한 도플러 편향
만일 반사체가 음원을 향하여 움직이면 반사파는 입사파보다 더 높은 주파수를 가지며, 반대로 반사체가 음원으로부터 멀리 움직이면 반사파 주파수는 입사파보다 낮다. 이와같은 현상을 도플러효과라 한다. 도플러효과는 반사대상 물체의 움직임 때문에 반사된 음파의 주파수변화를 말한다. 경계면에서의 움직이는 속도가 속도가 빨라지면 입사주파수와 반사주파수의 차는 커진다.

반사주파수(㎒) =입사주파수(㎒) × [ 1±{2 TIMES 반사체속도(m/s)/전파속도(m/s)+반사체속도(m/s)}] 반사체가 음원에 가까워질 경우를 플러스(+)로 표시하고 그 반대로 반사체가 음원보다 멀어지면 마이너스(-)로 표시한다. 반사주파수에서 입사주파수를 뺀 값을 도플러 시프트(Shift)라 한다.

도플러시프트(㎒) =반사주파수(㎒) - 입사주파수(㎒)± [ 1±{2×반사체속도(m/s)×입사주파수(MHz)/전파속도(m/s)+반사체속도(m/s)}]