Terminale S AE 2_Propagation d’une onde sonore et ultrasonore

M.Meyniel 1/3

PROPAGATION D’UNE ONDE SONORE ET ULTRASONORE

Objectif : - Etudier qualitativement et quantitativement le phénomène de propagation d’ondes et notamment la vitesse des ondes sonores et ultrasonores.

Les ondes sonores (ou ultrasonores) résulte d’une vibration mécanique d’un fluide (le plus souvent de l’air).

Cette perturbation se propage sous formes d’ondes grâce à la déformation élastique de ce fluide : pour le son, il s’agit

de variation de pression (compressions & dilatations) depuis la source sonore. Si l’onde se propage, les particules

d’air oscillent seulement de quelques micromètres autour d’une position stable.

Un son est dit « audible » si sa fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz ; pour les ultrasons, la fréquence

est supérieure à 20 kHz.

Du son ou de l’ultrason, quelle est l’onde la plus rapide ?

Document 1 : Etude des ondes sonores avec un « clap »

Deux microphones M1 et M2 placés l'un derrière l'autre sont reliés respectivement aux voies 1 et 2 d’un oscilloscope à mémoire. On produit un bref train d’onde sonore devant le premier microphone à l’aide de planchettes de bois permettant de réaliser un bruit court et fort : le clap !

On observe les deux signaux obtenus à l’oscilloscope une fois le signal « clap » reçu.

Pour réaliser une telle acquisition, un guide « Manip CLAP » permet de régler de l’oscilloscope.

Document 2 : Etude des ondes ultrasonores avec des salves

On dispose d’un émetteur et d’un récepteur d’ultrasons reliés à un oscilloscope. L’émetteur émet des salves d’ultrasons de fréquence fE = 40 kHz, c'est-à-dire des signaux courts séparés par des intervalles de temps réguliers. Le récepteur capte l’onde émise. L’oscilloscope permet de visualiser ces ondes d’après les signaux électriques détectés.

L’émetteur possède à l’intérieur, un générateur délivrant un signal de fréquence f = 40 kHz. Brancher l’émetteur et le mettre sous tension.

Relier l’émetteur de salves à l’oscilloscope pour visualiser son signal en voie 1 et celui du récepteur à la voie 2. Décaler verticalement les signaux avec le bouton « position verticale » afin de pouvoir les observer séparément.

Régler la sensibilité horizontale (bouton [H3]) afin d’observer sur l’écran le même nombre de motifs que l’oscillagramme schématisé ci-contre sur la voie CH 1.

Remarque : Un des boitiers possède à la fois l’émetteur et le récepteur.

Document 3 : Les méthodes d’étude en mode « salve »

En mode « salve », il est possible d’utiliser : - la méthode de l’écho-sonore, - deux positions successives du récepteur, - l’émetteur et le récepteur face à face.

Travail à réaliser : * Proposer un protocole expérimental permettant de répondre à la question posée. On

justifiera l’ensemble de ses choix (matériel, mesure effectuée, méthode …).

* Une fois validé par le professeur, réaliser le travail expérimental.

Sur votre compte-rendu, décrire précisément :

- l’expérience(s) réalisée(s) en justifiant l’emploi de tel ou tel matériel,

- un schéma annoté de l’expérience,

- vos observations et résultats expérimentaux,

- votre raisonnement pour exploiter vos mesures afin de résoudre le problème exposé,

- vos conclusions.

M1 M2

d

¡ clap !

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Compte-rendu des ondes sonores :

1. Faire un schéma avec le clap, les 2 micros et l’oscillo en faisant figurer le branchement électrique.

* Oscillo à mémoire car la perturbation n’est que temporaire (brièveté du « clap »).

* Grande distance entre les micros pour plus de précision.

2. Représenter l’oscillogramme sur sa feuille.

3. Description de l’onde : progressive elle se propage de proche en proche

mécanique car il y a perturbation des molécules de l’air

(support matériel)

non périodique (cf profil) [a fortiori non sinusoïdale]

4. M2 reçoit l’info après M1 car plus éloigné de la source. La date de détection diffère donc. Cette différence de

date s’appelle le retard τ.

Connaissant la distance entre les 2 micros et le retard, on peut déterminer la célérité : v = d / τ

On utilise la fonction « cursor » pour déterminer τ OU d’après sensibilité horizontale et nb de div.

v = … = 340 m.s-1

5. En réalisant ≠ mesures de τ pour ≠ distances entre les micros, on peut remplir un tableau et utiliser un logiciel de

régression linéaire pour plus de précision.

Compte-rendu des ondes ultra-sonores :

1. Faire un schéma avec l’émetteur et le récepteur en faisant figurer le branchement électrique.

* Oscillo à mémoire car la perturbation n’est que temporaire (brièveté de la salve).

* Grande distance entre les micros pour plus de précision.

2. Représenter l’oscillogramme sur sa feuille.

* Indiquer salve et fréquence des salves. (Où retrouve-t-on les 40 kHz ? Dans la salve, cf chgmt échelle)

(Si le récepteur s’éloigne, τ augmente)

3. Description de l’onde : progressive elle se propage de proche en proche

mécanique car il y a perturbation des molécules de l’air (support matériel)

périodique et sinusoïdale (cf profil)

4. Récepteur reçoit l’info après émetteur (= source) d’où le retard τ.

Connaissant la distance entre émetteur-récepteur et le retard, on peut déterminer la célérité : v = d / τ

On utilise la fonction « cursor » pour déterminer τ OU d’après sensibilité horizontale et nb de div.

v = … = 340 m.s-1

=> Calcul écart relatif : Même célérité !!!

5. En réalisant ≠ mesures de τ pour ≠ distances entre l’émetteur et le récepteur, on peut remplir un tableau et utiliser

un logiciel de régression linéaire pour plus de précision.

6. * Méthode écho-sonore :

Faire le schéma avec émetteur & récepteur côte à côte avec obstacle en face.

Décrire méthode de détermination de la célérité : Attention τ/2 car aller-retour.

* Deux positions successives du récepteur :

Faire le schéma avec émetteur & récepteur en deux positions successives (a) et (b).

Avantages : Pas de pb de tps de réponse au niv. récepteur et émetteur.

Détermination ∆d plus aisée

Bien choisir 2 positions éloignées.

Rq : Tjs faire zoom si possible pour avoir meilleure lecture possible [ici, un agrandissement avec la sensibilité H3].

τ

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AE 2 :

CLAP : mesure de la vitesse des sons et ultrasons

Classe :

TS

Matériel au bureau :

Réserve de piles pour micro

Microphone

Matériel élève : Nombre de groupes : 9

Un émetteur à ultrason (les tout beaux)

Un récepteur d’ultrasons (les tout beaux)

2 câbles coaxiaux noirs

2 micros « dorés »

1 oscilloscope

2 petites planches de bois (pour le clap)

1 mètre ruban « made in Ikéa » ou banc

optique graduée en cm

Matériel au fond de la salle :

Matériel sur chariot:

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