파원(波源)과 관측자 중 한쪽 또는 양쪽 모두가 운동하고 있을 때 관측자에게 관측되는 파원의 진동수가 변하는 현상. 1842년 오스트리아의 물리학자 J. C. 도플러가 이중성(二重性)의 빛에 관하여 별의 운동방향과 색의 변화를 연구하던 중 처음 발견했다.

〔음파의 도플러 효과〕 정지해 있는 관측자 쪽으로 진동수 (Hz)의 음을 내는 음원(音源)이 속도 (m/s)로 접근하는 경우를 가정하자. 음의 속도는 (m/s)라 한다.

어느 순간에 음원에서 나온 음파의 마루는 1초 사이에 만큼 진행한다.

이 사이에 음원도 만큼 진행하고 음파의 마루를 개 낸다.

음원이 진행하는 방향에서는 사이에 파의 마루가 개 있으므로 파장은 =()/가 되어, 음원이 정지하고 있을 때보다 짧아진다.

그러나 파의 진행속도는 변하지 않기 때문에 관측자에게서는 그 음의 진동수가

가 된다.

즉, 진동수가 증가되어 실제의 음보다 높은 소리로 들린다.

반대로 음원이 멀어질 경우에는

     ′=

가 된다.

다음에 음원이 정지해 있고 관측자가 음원 쪽으로 (m/s)의 속도로 접근해 가는 경우를 가정해 보자.

음원이 정지해 있기 때문에 공간을 전파하는 음파의 파장은 변함이 없어 이다.

그러나 운동하고 있는 관측자에 대해 파의 마루는 속도 로 다가간다.

그 결과 관측자에게는 파의 진동수는

가 된다.

음원 및 관측자가 모두 운동할 때는 음원에서 관측자 쪽으로 가는 방향을 양으로 하여 속도를 각각 라고 정하면, 그 진동수는

가 된다.

〔광파의 도플러 효과〕도플러 효과는 음파뿐 아니라 모든 파동현상에서 일어난다.

다만 빛의 경우에는 빛의 속도가 매우 빨라 도플러 효과의 영향이 미미하다.

그래서 광원과 관측자의 상대속도가 광속에 비교할 수 있을 정도로 충분히 빠를 때에만 관측된다.

특수상대성이론은 로렌츠 변환을 이용하여 기술한다.

음파와 다른 점은 어느 좌표계(관성계)에서도 진공 속의 광속 가 일정한 값을 가지는 것이다.

광원의 좌표계가 관측자의 좌표계 쪽으로 속도 로 병진운동을 할 때, 그 광원이 복사하는 진동수 의 광파가 방향으로 진행하고 관측자에게는 진동수 로 관측된다.

이 진동수의 비는

이다.

여기서 은 속도 의 방향 성분이다.

특히 가 에 평행한 경우는

이고, 가 에 반대방향으로 평행하다면

가 된다.

이들의 비는 ()이 1에 비해 무시될 수 있을 때에만 음파의 도플러 효과의 식과 같은 형식이 된다.

즉, 가 에 수직인 경우를 예로 들면

이 된다.

이 진동수의 비는 가 크고 ()이 1에 비하여 무시될 수 있을 때에만 1과 다른 값을 가진다.

이것은 광파에서만 볼 수 있는 효과로 가로의 도플러 효과라고 한다.

별이나 성운 중에는 지구에 대하여 시선방향으로 매우 큰 상대속도를 갖고 멀어져 가는 것이 있다.

그 스펙트럼을 정밀분석하면 특정원자의 선스펙트럼이 도플러 효과에 의하여 적색이동을 일으킴을 알 수 있다.

〔마이크로파의 도플러 효과〕항공기나 자동차의 속도측정에 응용된다.

또한 레이저광의 도플러 효과를 이용하여 액체의 유속을 측정하는 도플러 유속계도 실용화되었다.