Exercice 2 : Comment dterminer le relief du fond marin avec un sondeur ? (5,5 pts)Amrique du nord 2007

Les trois parties de lexercice sont indpendantes

1. tude de londe ultrasonore dans leau de mer.

1.1 Dfinir une onde mcanique progressive.

1.2 Londe ultrasonore est-elle une onde longitudinale ou transversale ? Justifier la rponse.

1.3 La lumire est une onde progressive priodique mais elle nest pas mcanique.

1.3.1 Citer un fait exprimental qui permet de dcrire la lumire comme une onde.

1.3.2 Quelle observation permet de montrer que la lumire nest pas une ondemcanique ?

2. Dtermination de la clrit des ondes ultrasonores dans leau.

La clrit des ultrasons dans lair vair = 340 m.s-1 est plus faible que la clrit des

ultrasons dans leau de mer veau.

Un metteur produit simultanment des salves dondes ultrasonores dans un tuberempli deau de mer et dans lair (voir figure 1). une distance d de lmetteur dondes ultrasonores, sont placs deux rcepteurs, lun dans lair et lautre dans leau de mer.Le rcepteur A est reli lentre A du systme dacquisition dun ordinateur et lercepteur B lentre B. Lacquisition commence lorsquun signal est reu sur lentreB du systme.

2.1 Pourquoi est-il ncessaire de dclencher lacquisition lorsquun signal est reu sur lentre B ?

2.2 Donner lexpression du retard t entre la rception des ultrasons par les deuxrcepteurs en fonction de tA et tB, dures que mettent les ultrasons pour parcourir respectivement la distance d dans lair et dans leau de mer.

12 V continu eau de mer

Rcepteur B Entre B

Entre ARcepteur Ametteur

d

Figure 1

2.3 On dtermine t pour diffrentes distances d entre lmetteur et les rcepteurs. On traite les donnes avec un tableur et on obtient le graphe t = f(d) ci-dessous.

t = f(d)

2.3.1 Donner lexpression de t en fonction de d , vair, veau.

2.3.2 Justifier lallure de la courbe obtenue.

2.3.3 Dterminer graphiquement le coefficient directeur de la droite t = f(d). Endduire la valeur de la clrit veau des ultrasons dans leau de mer en prenantvair = 340 m.s

-1.

3. Dtermination du relief des fonds marins.

Dans cette partie on prendra veau = 1,50103 m.s-1.

Un sondeur acoustique classique est compos dune sonde comportant un metteuret un rcepteur donde ultrasonore de frquence f = 200 kHz et dun botier de contrleayant un cran qui visualise le relief des fonds sous-marins.La sonde envoie des salves dultrasons verticalement en direction du fond desintervalles de temps rguliers ; cette onde ultrasonore se dplace dans leau unevitesse constante veau. Quand elle rencontre un obstacle, une partie de londe estrflchie et renvoye vers la source. La dtermination du retard entre lmission et larception du signal permet de calculer la profondeur p.Un bateau se dplace en ligne droite suivant un axe xx en explorant le fond depuis lepoint A xA = 0 m jusquau point B xB = 50 m (figure 2).Le sondeur met des salves dultrasons intervalles de temps gaux, on mesure laide dun oscilloscope la dure t sparant lmission de la salve de la rception deson cho.

3,00

t(ms)

1,20

d (m)

0 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3.1 Loscillogramme ci-dessous montre lcran dun oscilloscope lorsque le bateau se trouve en A (xA = 0 m). Lune des voies reprsente le signal mis, lautre le signal reu par le rcepteur. Sur loscillogramme, on a dcal la voie 2 vers le bas pour distinguer nettement les deux signaux.

La figure 3 se trouvant sur lannexe rendre avec la copie reprsente t = f(x)lorsque le bateau se dplace de A vers B.

3.1.1 Identifier les signaux observs sur chaque voie, en justifiant.

3.1.2 partir de loscillogramme, dterminer la dure t entre lmission de la salve et la rception de son cho.

3.1.3 En dduire la graduation de laxe des ordonnes de la figure 3 se trouvantsur lannexe rendre avec la copie reprsentant la dure t en fonction dela position x du bateau.

SensibilitHorizontale :10 ms / div

Oscillogramme

3.2 Dterminer la relation permettant de calculer la profondeur p en fonction de t et veau.

3.3 Tracer sur la figure 4 se trouvant sur lannexe rendre avec la copie, lallure du fond marin explor en prcisant la profondeur p en mtres en fonction de la position x du bateau.

3.4 Le sondeur envoie des salves dultrasons intervalles de temps rguliers T. Pourune bonne rception, le signal mis et son cho ne doivent pas se chevaucher. Lesondeur est utilisable jusqu une profondeur de 360 m.Dterminer la priode minimale Tm des salves dultrasons permettant cefonctionnement.

Exercice II : Annexe rendre avec la copieQuestion 3.1.3 et 3.3

figure 4