El efecto Doppler: ahora ampliamente aceptado y fácil de usar, a pesar de su rechazo inicial

Los ingenieros están familiarizados con muchos "efectos" que van desde los más utilizados, como el efecto piezoeléctrico, hasta los menos conocidos, como el efecto pelicular de RF, e incluso los menos familiares, como el efecto Coanda, por citar solo algunos. Pero hay un efecto que es ampliamente conocido y utilizado por los ingenieros en sistemas en muchas disciplinas: el efecto Doppler. Nombrado en honor al físico Christian Doppler, quien describió el fenómeno en un artículo teórico en 1842, el efecto Doppler es el cambio en la frecuencia de una onda periódica con respecto a un observador que se mueve en relación con la fuente de onda (una o ambas pueden estar en movimiento).

Al emplear el efecto Doppler y su desplazamiento Doppler asociado, es posible determinar el movimiento relativo (tanto la velocidad como la aceleración) de un objeto detectado tal como lo percibe el observador. Es un fenómeno versátil y vital de la física de ondas que tiene una larga lista de aplicaciones desde una escala muy pequeña hasta una escala extraordinariamente grande, que incluye:

• Doppler ultrasónico para detectar el flujo sanguíneo en el sistema circulatorio
• Doppler ultrasónico y con RF para detectar el movimiento de las personas en un área
• Doppler óptico para determinar la velocidad de un vehículo autónomo
• Doppler con RF en radares para determinar el movimiento de vehículos, barcos, aviones e incluso naves espaciales
• Doppler óptico y con RF combinados para medir la velocidad de las naves espaciales e incluso de los cuerpos astronómicos como estrellas y galaxias (a menudo denominados corrimiento al rojo para los que se alejan y corrimiento al azul para los que se acercan)

En los últimos años, los avances tecnológicos han utilizado el efecto Doppler como una mejora para muchos sistemas de detección. Por ejemplo, los primeros sistemas médicos de ultrasonido podían mostrar la presencia y el tamaño de las venas y arterias, mientras que agregar el aspecto Doppler permite medir la velocidad del flujo sanguíneo, una importante mejora de diagnóstico.

El principio Doppler

Aunque se puede definir con ecuaciones precisas, el efecto Doppler también se puede describir conceptualmente. Cuando la fuente de ondas repetitivas a frecuencia constante se mueve hacia el observador, cada cresta sucesiva de la serie de ondas comienza en una posición que está ligeramente más cerca del observador que la cresta de la onda anterior. Por lo tanto, cada onda sucesiva tarda un poco menos en llegar al observador que la anterior; esto, a su vez, tiene el efecto de reducir el tiempo de llegada entre las sucesivas crestas de onda en el observador, lo que corresponde a un aumento en la frecuencia observada (Figura 1).

Figura 1: A medida que la fuente y el observador se acercan, la distancia entre las crestas de ondas sucesivas disminuye, lo que da como resultado un aumento en la frecuencia percibida; lo contrario es el caso cuando los dos se separan. (Fuente de la imagen: Science Facts)

Si ocurre lo contrario, con la fuente de ondas alejándose del observador, entonces cada onda subsiguiente se origina en una posición más alejada del observador que la onda anterior, estirando así el espacio entre las crestas. Dado que el tiempo de llegada entre ondas sucesivas aumenta y estas crestas se separan, la frecuencia determinada por el observador se reduce.

Sin duda, ha escuchado y se ha acostumbrado al efecto Doppler cuando un automóvil que hace sonar la bocina o la sirena se acerca y luego pasa por su lado (Figura 2). La frecuencia percibida aumenta a medida que se acerca el automóvil (al igual que la intensidad, por supuesto), luego cae repentinamente a medida que pasa (nuevamente, junto con la intensidad); las bocinas de los ferrocarriles también tienen el mismo efecto dramático y más audible.

Figura 2: A medida que el vehículo se acerca a una velocidad constante, el observador escucha un tono más alto y constante (gráfico superior) incluso cuando la intensidad aumenta gradualmente (gráfico inferior); a medida que pasa el vehículo, el tono cae repentinamente mientras la intensidad se desvanece. (Fuente de la imagen: ResearchGate)

Si bien la designación “efecto Doppler” se usa ampliamente, en realidad hay dos "mecanismos" físicos diferentes en juego y dos conjuntos de ecuaciones descriptivas. Uno para ondas acústicas y otro para ondas electromagnéticas. ¿Por qué la diferencia? Para la energía acústica y otras ondas de energía que se propagan en un medio tangible (aire, agua, incluso sólidos), la velocidad del observador y la velocidad de la fuente se miden en relación con el medio en el que se transmite la energía de las ondas. Eso parece bastante claro, y el efecto Doppler observado en general es el resultado del movimiento de la fuente sola, del observador solo, de la fuente y del observador, e incluso del movimiento del medio.

Sin embargo, para la energía electromagnética (luz, RF) que no requiere un medio tangible como el aire, el análisis Doppler es algo diferente y solamente la diferencia relativa de velocidad entre el observador y la fuente entra en el análisis. Esto se asocia con una premisa de la relatividad especial, donde uno de los postulados radicales de Albert Einstein en su artículo de 1905 fue que la velocidad de la luz con respecto a cualquier marco inercial es una constante y es independiente del movimiento de la fuente de luz en sí.

Tenga en cuenta que, en muchos sistemas, la fuente de frecuencia y el observador están ubicados en el mismo lugar, y el efecto Doppler se ve como un reflejo de un objetivo; esto agrega un factor de dos en las ecuaciones relevantes, pero el principio no cambia por lo demás.

Doppler, en el pasado

La explicación del efecto Doppler es casi intuitiva para nosotros, con nuestra comprensión de los fenómenos ondulatorios junto con las fuentes de frecuencia y el equipo de medición disponibles. Doppler describió el fenómeno como una explicación de cómo el color de la luz de las estrellas cambiaba con el movimiento de la estrella. Sin embargo, no había medios disponibles en ese momento para probar adecuadamente su afirmación. De hecho, fue ridiculizado por muchos otros físicos destacados e incluso expulsado de una asociación científica líder debido a sus ideas "sacrílegas". Se necesitaron varias décadas, junto con la incapacidad de los investigadores para resolver las inconsistencias de los datos registrados de varios experimentos que no habían sido corregidos por su efecto epónimo, para convencer a sus detractores.

Un avance no relacionado ayudó a su caso: el desarrollo del ferrocarril en esa época, que permitió realizar pruebas repetidas utilizando el movimiento lineal y a lo largo de una vía con un sonido de velocidad fija (¡incluso se usó una banda en un tren!), lo que ayudó confirmar sus afirmaciones. La historia de las vicisitudes de Doppler se cuenta en un artículo detallado y comentado en un número reciente de Physics Today (ver Referencias). Es una lección que vale la pena recordar: las ideas que se ridiculizan al principio pueden eventualmente aceptarse como "correctas" (piense en Galileo y su visión heliocéntrica de nuestro sistema). Christian Doppler fue finalmente reivindicado, ya que su nombre es ahora la designación estándar para sus análisis y conclusiones inicialmente rechazadas.

Si bien el efecto Doppler es un fenómeno muy útil, también es una fuente de grandes desafíos de ingeniería. ¿Cómo es eso? Si bien se puede utilizar para medir la velocidad, también afecta la estabilidad de la frecuencia. Por ejemplo, la frecuencia nominal portadora de los satélites en órbita terrestre (como el GPS) y los vehículos del espacio lejano (como el módulo de aterrizaje reciente de Marte) cambia debido al efecto Doppler. Por lo tanto, las rutas de transmisión y recepción deben compensar y adaptarse a estos cambios de frecuencia, que pueden ser sustanciales dadas las velocidades de estos vehículos.

Doppler se vuelve más pequeño

Aunque es complejo, el efecto Doppler es tan útil que muchos circuitos y sistemas lo utilizan como función primaria o secundaria. Para permitir esto, los proveedores han trabajado incansablemente para hacer que los dispositivos que usan el efecto Doppler sean más fáciles de integrar mediante el desarrollo de paquetes más pequeños con menor potencia y con placas y herramientas de desarrollo avanzadas para expandir su uso.

Un ejemplo reciente es la placa de evaluación DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 de Infineon Technologies. Esta unidad está diseñada para reemplazar el detector de movimiento de infrarrojos pasivos (PIR) ampliamente utilizado al ofrecer un mejor rendimiento, respuesta y capacidad de programación del usuario, por medio de la tecnología de efecto Doppler de 60 gigahercios (GHz).

Figura 3: La placa de evaluación DEMOBGT60LTR11AIPTOBO1 de Infineon Technologies proporciona un sensor de movimiento basado en Doppler de 60 GHz que es superior al enfoque PIR. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

Basado en el circuito integrado de microondas monolítico (MMIC) de 60 GHz totalmente integrado BGT60LTR11AIP que mide 3.3 × 6.7 × 0.56 milímetros (mm) (Figura 4), este kit proporciona un sensor de movimiento basado en Doppler e incluye antenas en paquete (AIP) con un campo de visión de 80˚, así como detectores integrados de movimiento y dirección de movimiento. Los parámetros de rendimiento ajustables incluyen sensibilidad de detección, tiempo de espera y frecuencia de operación y, a diferencia de muchos dispositivos de 60 GHz, utiliza material de placa de circuito FR4 estándar y de bajo costo.

Figura 4: El diagrama de bloques del sensor de movimiento MMIC basado en radar BGT60LTR11AIP de Infineon muestra su complejidad interna. (Fuente de la imagen: Infineon Technologies)

El kit de desarrollo incluye el "blindaje" BGT60LTR11AIP, así como el zócalo de radar MCU7 de Infineon. El blindaje de 20 × 6.25 mm demuestra las características del MMIC BGT60LTR11AIP y ofrece al usuario una solución de radar "para conectar y usar". Está optimizado para la creación rápida de prototipos de diseños e integración de sistemas, así como para una evaluación inicial de características y funciones.

Conclusión

La detección del efecto Doppler es la piedra angular de muchos sistemas modernos, ya que cuantifica el uso de energía de ondas electromagnéticas y acústicas como un medio sin contacto, casi instantáneo, para determinar el movimiento de objetos a distancia. Se utiliza en una variedad de entornos que van desde microscópicos hasta astronómicos. Afortunadamente, los componentes modernos y los kits de desarrollo simplifican la incorporación de funciones basadas en el efecto Doppler y su desplazamiento, no solo en los casos en los que no existe una alternativa viable sino también un reemplazo mejorado para los enfoques existentes.

Referencias:

1 – Physics Today, “The fall and rise of the Doppler effect”

2 – NASA, “Doppler Shift”

3 –Georgia State University, “Doppler Effect”

4 – University of Connecticut, “Doppler Effect”

5 – University of Virginia, “Doppler Effect”

6 – Wikipedia, “Coanda Effect”

7 – Wikipedia, “Skin Effect”