SCIENCE 2008

 

 

DOPPLER

DES ÉTOILES AU SANG

EN PASSANT PAR LE TITANIC

 

 

S. Theys
Docteur en Kinésithérapie,
Clin Univ Godinne - B-5530 Yvoir
(Serge.theys@uclouvain)

 

 

 

PREMIÈRE PARTIE

 

DOPPLER : le civil et le militaire

 

Les découvertes de science pure ne passent pas comme ça dans le domaine public. Il leur faut un certain temps pour sortir de l’intimité du labo et s’acclimater  au grand jour. Au stade des équations, le savant ressemble à un professeur Tournesol et les gens autour haussent les épaules d’un air de dédain.

 

Au passage à la vie de tous les jours, cela peut éveiller quelques surprises … désagréables. Qui est heureux de s’être fait flashé pour un excès de vitesse ? Personne. Et mine de rien, cette photo, on la doit à Doppler.

 

Le phénomène qu’il a mis en formule mathématique permet de calculer la vitesse par la variation de fréquence sonore ou lumineuse produite par le déplacement soit d’un mobile, soit de l’observateur, soit des deux.

 

Aujourd’hui, en dehors de l’astrophysique, ce nom propre n’est conservé qu’en médecine. Un doppler permet de rendre audible le déplacement des hématies du sang et de repérer des perturbations de la circulation du sang dans les artères ou les veines. Le nom Doppler est également couplé à écho pour désigner un matériel capable de coupler le son du doppler à l’imagerie de l’écho. L’application de l’effet Doppler à la lumière permet d’observer la microcirculation cutanée. Il s’agit alors de laser doppler.

 

DOPPLER : un savant qui révolutionna la physique

 

L’effet Doppler est un effet physique patronymique. Christian, Johann Doppler (1803-1853) est né à Salzbourg en Autriche, le 29 novembre 1803. Il meurt le 17 mars 1853, à Venise en Italie. À sa mort, Doppler laissa une contribution qui modifia la face de la physique ; à l’exemple de Newton ou d’Einstein. Il entreprit Polytechnique à Vienne de 1822 à 1825. Mais, il s’y ennuyait. Aussi, il acheva ses études, chez lui, à Salzbourg par des cours particuliers. Il devint alors assistant en mathématique et écrivit ses premiers articles sur les mathématiques et l’électricité. En 1835, il vendit ses biens. Il était sur le point de s’expatrier en Amériques. Mais voilà, il ne partit pas pour les Amériques mais pour Prague où il venait de recevoir un poste à l’Ecole secondaire d’Etat. Six ans plus tard, 1841, il fut nommé Professeur de mathématiques élémentaires et de géométrie pratique à l’Académie Technique d’Etat, toujours à Prague. Et c’est le 25 mai 1842 que le Royal Bohemian Society of Learning publia  son travail initiateur et fondamental sur l’effet qui porte maintenant son nom : « Über das farbige Licht der Doppelsterne … ». « Sur les couleurs de la lumière des binaires ». Sous ce titre rébarbatif pour plus d’un d’entre nous, l’effet décrit est d’une simplicité extrême. Elle se réduit à une formule permettant de calculer la position ou le déplacement relatif d’une source ou d’un observateur le long d’une ligne fictive les réunissant. Le calcul ne fut étendu au déplacement simultané des deux éléments, source et observateur, que quatre ans plus tard (1846). Dès le départ, Doppler précisa que ses formules pouvaient dériver vers des applications tant acoustiques qu’optiques.

 

Peu avant sa seconde publication, Christophe Hendrik Diederik Buys Ballot (10 octobre 1817 – 3 février 1890) conduisit la première vérification expérimentale. En 1845, ce météorologiste néerlandais, né à Kloetinge, concrétisa la variation de fréquence due au déplacement d’une source sonore. Alors qu’immobile, un trompettiste joue un La, la fréquence sonore est perçue pareille tout autour du musicien. En mouvement, cette note subit une variation de l’ordre du demi-ton. Ainsi, la note sera perçue plus aigue et deviendra un La dièse pour un auditeur vers lequel le trompettiste s’approche et plus grave pour donner un La bémol, pour l’auditeur qui le voit s’éloigner. Le La restera inchangé pour l’auditeur qui se déplace avec le musicien.

 

De la même façon, le principe explique pourquoi le déplacement d’une voiture paraît plus aigu quand elle s’approche d’un observateur et plus grave si elle s’éloigne de lui : l’ondulation sonore est comprimée et donc plus aigue en avant du véhicule alors qu’elle est allongée en arrière et donc plus grave (fig.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Figure 1 : Le déplacement d’un véhicule comprime l’onde sonore à l’avant et l’allonge à l’arrière.

 

 

 

 

 

L’explication de cet effet fut menée - quelques temps plus tard, en 1849 - dans le domaine de l’optique, par le parisien Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896).

 

DOPPLER : dans les étoiles

 

 

Dans le domaine astronomique, les vérifications de l’effet Doppler furent plus tardives et durent attendre 1868 pour fixer la vitesse des étoiles à l’aide du spectroscope. Ceci fut fait par William Huggins (1824-1910)  qui fut fait Commander of the Order of the Bath en 1897.

 

A sa suite, l’effet Doppler dut attendre, 1905, la théorie de la relativité (Einstein 1879-1955) pour trouver ses implications pratiques. La correction ainsi obtenue ne remettait pas en question le phénomène de base étudié ; à savoir, la variation de fréquence due au déplacement d’une source lumineuse. Ainsi, selon l’effet Doppler-Fizeau, les raies du spectre de couleurs d’une étoile se décalent vers le violet si elle se rapproche de la Terre et vers le rouge si elle s’en éloigne.

 

Simplifions et considérons un personnage immobile face à une lampe qui pend du plafond, au bout de son fil. Elle est allumée. Tant qu’elle ne bouge pas sa lumière est blanche. Balançons la lampe dans l’axe du personnage. Lorsqu’elle s’approche de lui, la lumière tend vers le violet et vers le rouge lorsqu’elle s’en éloigne (fig.2). Bien sûr, c’est une expérimentation improbable. Pour voir cette modification, il faudrait un balancement bien trop rapide.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

Figure 2 : Si une lampe balane – très rapidement - vers un personnage, sa lumière blanche tend vers le violet (vers les UV). Si elle s’en éloigne, elle tend vers le rouge (vers les IR, l’autre extrémité de l’échelle des couleurs).

 

 

Imaginons un autre exemple et imaginons que les couleurs du drapeau de la ville d’Ath représentent le spectrogramme d’une étoile. Premier constat, la couleur de son étoile, au centre du drapeau, est blanche. Ceci laisse deviner qu’il y règnerait une température très élevée ; quasi le double de celle du soleil. Second constat, cette étoile tourne sur elle-même, comme la Terre. Le halo sur le côté qui tourne vers l’avant a une couleur décalée vers le bleu et celui qui tourne vers l’arrière, vers le rouge. Ici la bande horizontale supérieure du drapeau tricolore est mauve : ce côté de l’étoile s’approche de nous. A l’opposé, la bande inférieure est orangée : ce côté s’éloigne. De là, c’est une étoile qui roule selon un axe horizontal par rapport à l’observateur terrien. De plus, elle tourne, comme une roue, qui s’approcherait de la terre. 

 

Une coïncidence - fortuite - comme dernière illustration : la coloration du sang en rouge lorsqu’il s’éloigne du cœur par le système artériel et en bleu lorsqu’il le regagne par le système veineux.

 

DOPPLER : à la recherche du Titanic

 

L’effet optique fut suivi par des applications acoustiques dans le monde sous-marin par Paul Langevin (1872-1946). Tout débuta le 14 avril 1912.  Les étoiles éclaboussaient le creux de la nuit. C’était au sud des bancs d’icebergs de Terre-Neuve. En moins de trois heures, sombrait un navire de légende : le Titanic. Que vient-il faire dans l’effet Doppler ? Une question qui taraudait Langevin : comment retrouver son épave ? 

 

Langevin mit trois ans pour entrevoir le premier et concevoir une solution : convertir l’énergie électrique en énergie ultrasonore. En fait, la possibilité de cette conversion résultait de la découverte, 35 ans plus tôt, en 1880, de la propriété de certains matériaux à subir une déformation mécanique par l’application d’un voltage électrique. C’est l’effet piézoélectrique direct de Pierre Curie.

 

Ironie de l’Histoire : si Paul Langevin est à la base de la technique de production et de réception des US pour la détection des objets immergés, le Titanic ne fut retrouvé qu’en 1985, soit 70 ans après.

 

DOPPLER : un effet mis au secret

 

Mais voilà, Langevin mit donc trois ans pour trouver le début de la solution. Et trois ans après le naufrage, les choses avaient bien changé. En 1915, Langevin et son équipe [2] durent concentrer leurs recherches sur la détection des sous-marins allemands. Au cours de ces travaux, ils dévoilèrent que l’énergie ultrasonique avait un effet létal sur de petits animaux aquatiques (Graber-1953). Chose qui fut confirmée en 1927 par Wood et Loomis qui observèrent la mort de petits poissons et grenouilles suite à des expositions de 1 à 2 minutes. Ces observations eurent sûrement une suite dans le domaine militaire. Mais voilà, la chose militaire est une grande muette. 

 

Toutefois en ce qui concerne la détection de mouvements, la méthode n’a pas pu être exploitée à cette époque. Les techniques de pulsion électroniques n’étaient pas suffisamment avancées. Des circuits moins compliqués ne furent développés qu’aux alentours des années 40, premièrement pour l’emploi du radar, et furent bientôt appliqués aux ultrasons (US) pour donner le sonar. Contrairement à l’éponyme Doppler, ces dénominations sont des acronymes, sigles pouvant se prononcer comme un mot alors qu’ils sont formés par la simple suite de quelques lettres d’abréviation d’une dénomination plus longue. Ainsi, radar vient de Radio Detection And Ranging alors que sonar vient de SOund Navigation And Ranging. Initialement, radar et sonar étaient les réelles premières applications militaires du phénomène Doppler.

 

Le radar joue sur la réflexion des ondes radio en milieu aérien. C’est un peu comme la mal voyante chauve-souris qui ne s’écrasera pas sur son environnement. Son radar, lui permet une localisation permanente des obstacles et … de ses victimes. Sa localisation, vis-à-vis d’un objet, est basée sur la détermination du délai entre une courte émission – ou impulsion - d’US et la réception de l’écho résultant de sa réflexion sur la structure de cet objet placé à distance. Si d’aventure, il lui arriverait à s’écraser contre un obstacle, il faudrait qu’elle soit aphone, sourde ou un peu des deux.

 

Le sonar est en quelque sorte l’équivalent du radar et désigne le système de détection fondé sur la réflexion des ondes sonores en milieu aquatique. Les pionniers les plus prééminents furent FA Firestone aux USA et DO Sproule en GB. Malheureusement, il n’est pas possible de tracer, avec exactitude, la suite de ces développements, du fait de leur dissimulation par le secret de guerre. La plus ancienne publication semble être celle de Firestone (1945).

 

Durant le second conflit mondial, il était primordial de se préserver d’une attaque ou d’une riposte. Les programmes de recherche se devaient d’être entrepris dans le plus grand secret. Ils se devaient également d’éviter de mentionner le nom du principe de base. Pour en parler, un nom codé devait être choisi. Le plus souvent, il était construit à partir d’une abréviation qui se devait d’être mystérieuse.

 

Une de ces abréviations mystérieuses qui s’est forgée une belle carrière, c’est la Jeep®. Ce nom déposé, en 1942, sort des ateliers de Ford. Il a été construit à partir de la prononciation – anglaise – des deux premières initiales des mots qui caractérisent l’usage de ce véhicule : GP (dji pi) W pour general purpose wagon soit véhicule à usage général.

 

Un autre mot construit, en 1942 par les Anglais, pour égarer les espions allemands : le jerrycan. Le can en anglais désigne un récipient en français. Jerry vient de german (jûrman) dont l’altération argotique a donné jerry pour désigner les allemands et spécialement les soldats allemands. N’est-ce pas cette notion de l’ennemi - et donc du mauvais soldat allemand – qui a prévalu dans le choix du nom d’un chat de dessin animé ? Chat qui essayait d’attraper une souris dénommée Tom, prénom anglais qui donna Tommy, surnom désignant le bon soldat anglais.

 

En quelques sortes, Jerry est le fritz, rétraction du prénom allemand Friedrich, dont les poilus de 1915 parlaient dans les tranchées. En 1918, on entendait aussi parler de « fridolin », issu aussi d’un prénom : St Fridolin, le moine qui évangélisa la Germanie.

 

Après le second conflit mondial, il y eut une longue période durant laquelle l’Ouest et l’Est se tournaient le dos. Ce fut le temps des barbouzes, des OSS, du KGB, de la CIA. Le temps n’était pas encore venu d’abandonner le codage par des altérations et des abréviations. Leur avantage, c’est de compliquer l’approche du problème par les services du camp adverse. Tant que le principe d’un projet n’est pas percé, au plus longtemps, l’ennemi ne pourra pas chercher une réplique.

 

S’il découvre que c’est l’effet Doppler qui est utilisé pour repérer les avions, les navires, les missiles ou les sous-marins, il peut esquiver le coup par une protection appropriée. A peine le principe connu, les travaux de l’ennemi vont orienter les recherches en vue de réaliser un matériel capable d’échapper au repérage de ses propres positions ou de détecter les intrusions ennemies.

 

Le principe de départ, l’effet Doppler, est simple et de riposte facile à concevoir. Bien sûr, cette simplicité et cette facilité sont toutes relatives. Il faut, « simplement », que les ondes émises par le radar n’y retournent pas. Trois possibilités sont envisageables et ont été exploitées. La première, c’est que les ondes se fassent absorber par les matériaux. C’est en utilisant un fuselage non métallique que les fameux U2 exacerbèrent les Russes. La seconde possibilité consiste à utiliser un revêtement, une peinture à très grand pouvoir absorbant. C’est ce qui a fait le succès du B 52  et des sous-marins américains. La troisième possibilité est que les ondes ricochent et soient déviées dans une autre direction que celle de leur source, le radar. Le fuselage difforme de l’avion furtif en est l’exemple type.

 

 

 

Figure 3 : Pour rendre inefficace un radar, deux moyens, trois possibilités : le premier moyen est d’absorber les ondes émises par un fuselage non métallique ou par une peinture spéciale ; le second, de les dévier par ricochets grâce à un fuselage difforme.

 

DOPPLER : le civil

 

La possibilité d’utiliser une sonde US similaire à celle de Langevin pour détecter des défauts dans les métaux était proposée par Sokolov, dans les années 1930. Parmi les autres applications industrielles et civiles qui découlèrent de l’effet Doppler, il y a les sondes visant à détecter les filons de minerais et qui ont servi à la découverte de ce qui est devenu la plus grande mine de cuivre à ciel ouvert : Chuquitamata (Chili). Il y a aussi le sonar utilisé par les bateaux de pêche pour repérer les bancs de poissons.

 

Il y a encore le radar des policiers pour flasher les excès de vitesse. Il va sans dire que les subterfuges militaires d’ « invisibilité » sont complètement prohibés dans le domaine public. Vous ne pouvez pas faire de votre voiture, un véhicule furtif et indétectable par le « radar ». Vous ne pouvez pas le peindre d’un revêtement absorbant. Vous ne pouvez pas modifier sa structure métallique ou sa forme. 

 

Que seraient les systèmes de surveillance d’intrusion, d’antivol sans l’effet Doppler ?

 

Un mystère. Pourquoi tous ces développements oublient de mentionner le nom de Doppler. Seul le domaine médical a fait de Doppler un éponyme courant. Il faut croire que cette chape qui cache son nom résulte du fait que les premières applications furent militaires. Et par là, le nom de Doppler camouflé sous d’autres dénominations, d’autres abréviations telles que sonar, radar.

 

La seconde partie de cet article paraîtra dans le prochain numéro de KINE 2000 (hiver 2008)