Efecto Doppler

Qué es el efecto Doppler

Cuando una fuente sonora se aproxima al observador, las crestas sucesivas de la onda le llegan con menos separación temporal que si la fuente estuviera quieta. El observador percibe una frecuencia más alta. Si la fuente se aleja, la separación entre crestas es mayor y la frecuencia percibida es más baja. El caso cotidiano lo aporta el silbato de un tren o la sirena de una ambulancia: la nota se agudiza cuando el vehículo se acerca y se hace más grave cuando se aleja. La magnitud del cambio depende de la velocidad relativa entre fuente y observador, y de la velocidad de propagación de la onda en el medio.

El fenómeno afecta por igual a las ondas mecánicas y a las electromagnéticas. En astrofísica se manifiesta como corrimiento al rojo o al azul en el espectro de las estrellas y galaxias, y ha sido decisivo para caracterizar la expansión del universo. En ondas de radio da origen al radar Doppler que usan la meteorología, el tráfico y el control aeronáutico. En medicina, aplicado a los ultrasonidos, ha dado lugar a una de las modalidades ecográficas más utilizadas.

Christian Doppler y la formulación de 1842

Christian Andreas Doppler, matemático y físico austríaco nacido en Salzburgo en 1803, presentó la hipótesis en Praga en 1842. El artículo, «Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels» («Sobre la luz coloreada de las estrellas dobles y de algunos otros astros del cielo»), estaba pensado como una explicación astronómica: Doppler creía que el efecto justificaba las diferencias de color observadas entre estrellas de sistemas binarios. Esa aplicación concreta resultó equivocada, porque los cambios de frecuencia en la luz visible por velocidades estelares habituales son demasiado pequeños para producir cambios de color perceptibles, pero la ley física era correcta y con el tiempo se demostró universalmente aplicable.

La verificación experimental llegó tres años después, en 1845, de la mano del meteorólogo neerlandés Christophorus Buys-Ballot. En una demostración célebre, Buys-Ballot situó una banda de músicos tocando en un vagón de ferrocarril y a otros músicos con oído absoluto en los andenes de la línea Utrecht-Ámsterdam. El cambio de tono percibido en el paso del tren confirmó la fórmula de Doppler. En 1848 Armand Fizeau extendió el análisis a las ondas luminosas, y por eso en la literatura de habla francesa el fenómeno se cita a veces como efecto Doppler-Fizeau. Doppler murió en Venecia en 1853, a los cincuenta años, sin ver el alcance práctico que su formulación acabaría teniendo.

Expresión física del corrimiento en frecuencia

Cuando la fuente emite con frecuencia f₀, la frecuencia percibida por el observador es f = f₀·(c ± v_o)/(c ∓ v_s), donde c es la velocidad de propagación de la onda en el medio, v_o la velocidad del observador y v_s la de la fuente, con signos según se acerquen o se alejen. La diferencia f − f₀, llamada corrimiento Doppler o Doppler shift, es proporcional a la velocidad relativa entre emisor y receptor. Cuando la velocidad del emisor es mucho menor que la velocidad de la onda (como ocurre en la circulación sanguínea explorada con ultrasonidos), la fórmula se simplifica y el corrimiento resulta directamente proporcional a la velocidad del reflector.

Un detalle relevante para la aplicación médica: el ángulo entre la dirección del haz emitido y la dirección del movimiento del reflector modifica el corrimiento medido. Solo la componente de la velocidad paralela al haz contribuye al desplazamiento en frecuencia. Un flujo perpendicular al haz no produce corrimiento observable. En ecografía Doppler ese detalle se traduce en la conocida corrección angular: el operador introduce el ángulo con el que el haz atraviesa el vaso para que el equipo calcule correctamente la velocidad real.

Aplicación en ecografía: Doppler vascular

La ecografía Doppler usa el efecto para caracterizar el flujo sanguíneo. El transductor emite ultrasonidos de una frecuencia determinada, típicamente entre 2 y 15 MHz según la profundidad de exploración, y recoge los ecos reflejados por los hematíes en movimiento dentro de los vasos. Al comparar la frecuencia emitida con la reflejada, el equipo calcula la velocidad del flujo y la codifica en pantalla.

Existen varias modalidades. El Doppler pulsado emite pulsos discretos y permite localizar el volumen de muestra en un punto concreto del vaso, con representación espectral de las velocidades encontradas. El Doppler continuo emite y recibe simultáneamente con dos cristales del transductor: mide velocidades muy altas sin ambigüedad, pero pierde la localización espacial. El Doppler color asigna a cada píxel un tono según la dirección y la magnitud del flujo (habitualmente rojo hacia el transductor, azul en sentido contrario) y lo superpone sobre la imagen bidimensional en tiempo real. El power Doppler representa la intensidad de la señal Doppler con independencia de la dirección: es más sensible para detectar flujos lentos, aunque no informa del sentido.

Estas modalidades tienen un espacio propio en cardiología, neurología, vascular periférica, obstetricia y hepatología, entre otras especialidades. La ecocardiografía Doppler evalúa el comportamiento de las válvulas cardíacas y los cortocircuitos intracardíacos. La eco-Doppler carotídea permite valorar el estado de las arterias del cuello. En obstetricia, la eco-Doppler de la arteria umbilical y de la arteria cerebral media fetal aporta información sobre la circulación fetoplacentaria en el seguimiento del crecimiento intrauterino.

Diferenciación con conceptos vecinos

Efecto piezoeléctrico. Es el fenómeno físico que permite generar y detectar los ultrasonidos en el propio transductor. No cambia la frecuencia del haz reflejado; es el mecanismo por el que el transductor transforma pulsos eléctricos en ondas mecánicas y viceversa. El efecto piezoeléctrico y el efecto Doppler son las dos bases físicas complementarias de la ecografía Doppler: uno hace posible emitir y detectar el ultrasonido, el otro convierte esa señal en información sobre el flujo.

Ecografía en modo B. Genera imagen bidimensional sobre la base de las diferencias de impedancia acústica entre tejidos. No utiliza el corrimiento Doppler, aunque los equipos combinan habitualmente ambos modos.

Corrimiento al rojo cosmológico. Es una manifestación del efecto Doppler aplicada a la luz de galaxias lejanas, con un componente añadido de expansión del propio espacio (corrimiento cosmológico). No es lo mismo que el corrimiento Doppler puro, aunque comparte formulación en el rango de bajas velocidades.

Preguntas frecuentes

¿Por qué se llama efecto Doppler?

Por Christian Andreas Doppler, físico y matemático austríaco que lo describió por primera vez en un artículo publicado en Praga en 1842. Su análisis buscaba explicar las diferencias de color entre estrellas binarias; la explicación astronómica no era correcta, pero la ley física subyacente sí, y a lo largo del siglo XIX y XX se comprobó su validez en todos los campos donde intervienen ondas.

¿Es lo mismo el efecto Doppler que la ecografía Doppler?

No. El efecto Doppler es el fenómeno físico. La ecografía Doppler es una técnica de imagen médica que aprovecha ese fenómeno para medir la velocidad del flujo sanguíneo. Sin efecto Doppler no habría ecografía Doppler; pero el efecto Doppler existe también en muchos otros contextos, del radar de tráfico a la astrofísica.

¿Qué diferencia hay entre Doppler color y power Doppler?

El Doppler color codifica dirección y magnitud del flujo mediante una escala habitualmente roja y azul. El power Doppler codifica la potencia de la señal Doppler con independencia de la dirección, lo que lo hace más sensible para detectar flujos lentos o vasos pequeños; a cambio no informa sobre el sentido del flujo. Son modalidades complementarias, no equivalentes.

¿Por qué influye el ángulo entre el haz y el vaso?

Porque solo la componente de la velocidad del reflector paralela al haz produce un corrimiento en frecuencia. Un flujo perfectamente perpendicular al haz da corrimiento nulo, aunque exista movimiento real. En la práctica, el operador se sitúa con un ángulo inferior a 60 grados entre el haz y el eje del vaso y aplica la corrección angular para que el equipo estime la velocidad real.

¿Puede detectarse el efecto Doppler en la luz visible?

Sí, aunque con velocidades habituales el cambio de color es imperceptible a simple vista. En espectroscopía astronómica, el corrimiento Doppler de líneas espectrales permite medir la velocidad radial de estrellas y galaxias con precisión de metros por segundo. La expansión del universo se dedujo en buena parte de la observación sistemática de ese corrimiento en galaxias lejanas.

Referencias

1. Sociedad Española de Astronomía. Efecto Doppler. Glosario de astronomía.
2. Encyclopædia Britannica. Christian Doppler. Austrian physicist.
3. Radiopaedia. Doppler ultrasound. Radiology Reference Article.
4. American Institute of Ultrasound in Medicine (AIUM). Official statements on Doppler ultrasound and clinical safety.