The ground-based listening of aircraft, rockets, or space launchers, and the simulation of recorded acoustic spectra with a view to civilian or military applications, raise the problem of the distortion by the Doppler effect of the spectrum emitted by the sound sources, in addition to other problems related to the sound propagation in atmosphere. We propose a solution to the direct problem—the characteristics of the sound source and its trajectory are known—based on an original time approach to the Doppler effect. This study shows in fact that it is not necessary to distinguish between frequency and sound level variations, both being directly related to the ratio of the emission to the reception durations of a chosen signal sequence. The developed method has a character of generality and can be applied without restriction in most cases (e.g. variable speed of the mobile, curved trajectory, atmosphere with wind and temperature gradients) using an acoustic propagation code, but remains obviously applicable in an isotropic environment to simple or complex cases, for example when the observer is moving.
L’écoute au sol d’avions, de fusées ou de lanceurs spatiaux, ainsi que la simulation de spectres acoustiques enregistrés en vue d’applications civiles ou militaires, soulèvent le problème de la distorsion par effet Doppler du spectre émis par les sources sonores, en plus d’autres problèmes liés à la propagation du son dans l’atmosphère. Nous proposons une solution au problème direct – les caractéristiques de la source sonore et sa trajectoire étant connues – basée sur une approche temporelle originale de l’effet Doppler. Cette étude montre en effet qu’il n’est pas nécessaire de distinguer les variations de fréquence et de niveau sonore, toutes deux étant directement liées au rapport des durées d’émission et de réception d’une séquence de signaux choisie. La méthode développée présente un caractère général et peut être appliquée sans restriction dans la plupart des cas (par exemple, vitesse variable du mobile, trajectoire courbe, atmosphère avec gradients de vent et de température) à l’aide d’un code de propagation acoustique, mais est évidemment applicable en environnement isotrope à des cas simples ou complexes, par exemple lorsque l’observateur est en mouvement.
Revised:
Accepted:
Published online:
Mots-clés : Aéroacoustique, Effet Doppler, Approche temporelle, Spectre de puissance acoustique, Bang sonique, Propagation atmosphérique
Jean Varnier 1, 2
CC-BY 4.0
@article{CRMECA_2025__353_G1_863_0,
author = {Jean Varnier},
title = {Doppler effect considered as a distortion of time, application to an engineering case},
journal = {Comptes Rendus. M\'ecanique},
pages = {863--877},
year = {2025},
publisher = {Acad\'emie des sciences, Paris},
volume = {353},
doi = {10.5802/crmeca.312},
language = {en},
}
Jean Varnier. Doppler effect considered as a distortion of time, application to an engineering case. Comptes Rendus. Mécanique, Volume 353 (2025), pp. 863-877. doi: 10.5802/crmeca.312
[1] Doppler effect in aeroacoustics, J. Acoust. Soc. Am., Volume 123 (2008) no. 5, p. 3248 | DOI
[2] The fall and rise of the Doppler effect, Phys. Today, Volume 73 (2020) no. 3, pp. 30-35 | DOI
[3] Theoretical Acoustics, Sound Emission from Moving Sound Sources, McGraw-Hill Book Co., New York, 1968, pp. 717-736
[4] The Doppler Effect - An Introduction to the Theory of the Effect, Logos Press Ltd., Academic Press Inc., London, 1965
[5] Physique, Mathématiques & Sciences Expérimentales, Masson et Cie, Paris, 1964
[6] L’acoustique des canons et des projectiles. Etude cinématique du champ acoustique d’un projectile, Mémorial de l’Artillerie Française, vol. 4, Imprimerie Nationale, Editions Gauthier-Villars et Cie, Paris, 1925 (3 fascicule)
[7] Le bang sonique, Pour la Sci. (2001), pp. 24-29 (Special Issue “Le Monde des Sons”)
[8] The Doppler effect and sonic boom, Physics: Interactive Physics Simulations, Waves, Circa, 2020 https://ophysics.com/waves11.html (Accessed 2025-04-30)
[9] Sonic boom, jet noise and Doppler effect, Acoust. Pract. EAA, Volume 1 (2013) no. 2, pp. 7-15
[10] A technique for predicting far-field acoustic environments due to a moving rocket sound source (1963) (ISSN 0499-9339) (NASA Technical Note D-1832)
[11] Interim prediction method for jet noise (1974) no. 19740027003 (NASA Technical Memorandum, NASA TM X-71618)
[12] High speed flight effects on noise propagation, AIAA-87-0013, 25th AIAA Aerospace Sciences Meeting, Reno, NV, USA, 24–26 March 1987, AIAA Research Central, arc.aiaa.org, 1987 | DOI
[13] The effect of flight on jet noise as observed on the Bertin Aérotrain, J. Sound Vib., Volume 54 (1977) no. 2, pp. 173-201 | DOI
[14] Assessment of noise variability of landing aircraft using phased microphone array, J. Aircr., Volume 54 (2017) no. 6, pp. 2173-2183 | DOI
[15] Long-range propagation of sonic boom from the Concorde airliner: analyses and simulations, J. Aircr., Volume 45 (2008) no. 5, pp. 1612-1618 | DOI
[16] Experimental study and simulation of rocket engine free jet noise, AIAA J., Volume 39 (2001) no. 10, pp. 1851-1859 | DOI
[17] Extension du principe de Fermat à un milieu en mouvement (1987) no. RT 506/87 (Technical Report)
Cited by Sources:
Comments - Policy
