ドップラー効果とは — 救急車のサイレンが変わって聞こえるしくみ

音源や観測者が動いているとき、聞こえる音の高さ（振動数）が、音源そのものの高さと変わって聞こえる現象のことです。近づくときは高く、遠ざかるときは低く聞こえます。音だけでなく光や電波でも起こり、救急車のサイレン、天体の赤方偏移、スピードレーダー、超音波の血流測定など、身のまわりから宇宙まで幅広く現れます。名前はオーストリアの物理学者クリスティアン・ドップラーにちなみ、1842年に提唱されました。

サイレンが出す音の高さは、ずっと同じです。それでも、近づいてくる間は前方の波面が詰まって波長が短くなり高く聞こえ、通り過ぎて遠ざかると後方の波面が伸びて波長が長くなり低く聞こえます。だから「だんだん下がる」のではなく、目の前を通過する瞬間に、高い音から低い音へストンと切り替わります。

基本の式は f′ =(V−vo)/(V−vs)·f です（V は音速、vs は音源の速度、vo は観測者の速度、f は音源の振動数）。このページでは、vs は音源が観測者へ近づく向きを正、vo は観測者が音源から遠ざかる向きを正にとっています。音源が近づくと分母 (V−vs) が小さくなって f′ は大きく（高い音）、遠ざかると分母が大きくなって f′ は小さく（低い音）。符号で迷ったら、まず『近づく＝高い』と結論を決めてから式に合わせると確実です。

結果として音が高く・低くなる点は似ていますが、しくみは別です。音源が動くと、波を出したあとも音源が進むため、波長そのものが前で詰まり後ろで伸びます。観測者が動く場合は、波長は変わらないまま、単位時間に出会う波の数が増減します。式でも音源の速度は分母に、観測者の速度は分子に入り、効き方が違います。だから同じ速さでも、聞こえる高さは厳密には一致しません。

入り口は同じ考え方です。遠ざかる光源の光は波長が伸びて赤いほうへずれ（赤方偏移）、近づくと青いほうへずれます。遠い銀河ほど大きく赤方偏移していることから、宇宙が膨張していることがわかりました。ただし宇宙論で扱う赤方偏移は、星が空間を動く速度というより『空間そのものが伸びている』効果で、厳密には速度のドップラー効果と区別されます。それでも、動きが波長のずれとして見える、という根っこは共通です。

音源も観測者も止まっていれば、風が吹くだけでは音の高さ（振動数）は基本的に変わりません。風は音を運ぶ媒質（空気）ごと動かすので、音の伝わる速さは変わりますが、単位時間に届く波の数は変わらないからです。高さが変わるのは、あくまで音源か観測者が動いて、近づく・遠ざかるが生じたとき。シミュレーションで風だけを吹かせて、高さが変わらないことを確かめられます。