Waarom verandert snelheid het geluid van een sirene?

Je staat met je ogen dicht naast een weg en hoort een politieauto dichterbij komen. Vervolgens, zolang ze niet voor jou komen, hoor je hem ook weer van je wegrijden. Niet alleen klinkt het geluid van de sirene steeds harder tijdens het naderen, de tonen lijken ook in hoogte te veranderen. De sirene klinkt anders als de auto naar je toe komt dan wanneer de auto zich van je verwijdert. Exacter gezegd: als een geluidsbron zich naar je toe beweegt klinkt hij hoger dan als hij zich in een rustpositie bevindt, en als de bron zich van je af beweegt klinkt hij lager. Dit heet het Dopplereffect. Iedereen kent dit verschijnsel, maar WRM gebeurt het eigenlijk?

Geluidsgolven
Het eerste wat je moet weten over de sirene is dat hij geluidsgolven produceert (mochten je trommelvliezen zich dat nog niet gerealiseerd hebben). Deze kunnen, net als golven in water, van elkaar verschillen doordat sommige golven hogere toppen en diepere dalen hebben dan andere of doordat de toppen dichter bij elkaar zitten. Dat laatste is van belang bij het effect dat de geluidsverandering bij de sirene veroorzaakt. Maar hoe uiten deze verschillen in de afstand tussen de toppen zich in het geluid dat wij horen? Dit verschil is vrij goed hoorbaar; geluid van golven met toppen die dicht bij elkaar zitten (hoogfrequent) klinkt hoger dan geluid van toppen die verder bij elkaar vandaan staan (laagfrequent). Dus hoe hoger de sirene klinkt, hoe dichter de toppen bij elkaar zitten.

Hoe snelheid geluid verandert
Nu hoe dit theoretische verhaal zich vertaalt naar de sirene van de ambulance. Let goed op de afbeeldingen, want zonder is het lastig te volgen!

Om te beginnen nemen we een ambulance met een sirene die stilstaat. Iets wat je in de praktijk zelden ziet. In deze situatie zendt hij geluidsgolven uit naar alle kanten en al die geluidsgolven hebben dezelfde afstand tussen hun toppen, ze bewegen namelijk allemaal met de geluidssnelheid. Kijk hiervoor naar de afbeelding, hier zijn de toppen van de geluidsgolven aangeven met zwarte lijnen. Als de ambulance nu naar rechts begint te rijden achtervolgt hij als het ware de golven die hij eerder uitzond. De nieuwe golven die hij produceert zullen daarom dichterbij de eerdere zitten. De ambulance is de toppen van de eerdere uitzending immers dichter genaderd. Eigenlijk doet hij dus een soort achtervolgingsspelletje met het geluid dat hij zelf heeft uitgezonden. Doordat de ambulanceauto dus inloopt op de door hem uitgezonden golven, zorgt hij dat de sirene hoger klinkt.

Als de ambulance eenmaal gepasseerd is verwijdert hij zich, hij beweegt zich dus weg van de golven die hij heeft uitgezonden. Hierdoor is elke volgende golf die de sirene uitzendt verder verwijderd van elke eerder uitgezonden golf. De toppen staan dus verder uit elkaar en het geluid klinkt lager. Of, zoals Sheldon uit The Big Bang Theory het zegt: “Het Dopplereffect is de schijnbare verandering in de golffrequentie, veroorzaakt door de relatieve snelheid tussen de bron (lees: sirene) en de observator”.

Kortom, doordat de ambulance eerst inloopt op zijn eigen sirenegeluid en er vervolgens van wegrijdt, ontstaan de toonhoogteverschillen. Probeer het maar: als je snel genoeg een politieauto inhaalt, zal het geluid steeds lager klinken. Totdat ze de achtervolging inzetten om je behoorlijk te bekeuren, dan klinkt hun sirene weer steeds hoger…

Heb je hier nog vragen over? Stel ze dan gerust hieronder, ik (of misschien andere lezers) zullen proberen ze te beantwoorden!

.

Bronnen tekst:
D.C. Giancoli, Physics for scientists & engineers with modern physics, paragraaf 16-7.