Thème : ondes et signaux  Cité scolaire André Chamson

TP 6 : signaux sonores – Correction

Objectifs : - Émission et propagation d’un signal sonore. - Vitesse de propagation du son.

I°) Émission d’un son

Nous baignons continuellement dans le son. Mais que représente - il physiquement ?Au bureau est placé un haut parleur branché à un GBF (générateur basses fréquences).

1°) Qu'observez-vous pour la flamme de la bougie ?

La flamme de la bougie, oscille.

2°) Que représente alors physiquement le son ?

La flamme de la bougie suit les oscillations de l’air. Donc le son est la vibration des molécules contenues dans l’air.

3°) Observez attentivement la membrane du haut parleur. Que faut-il alors pour créer un son ?

Compléter alors le texte suivant avec les mots : compression, oscillation, dépression, molécules.La membrane du HP oscille et fait vibrer les molécules de gaz qui composent l’air de proche en proche par une série de compressions et de dépressions.

4°) Sur une guitare, un violon, un piano, quelle partie crée le son ?

C’est la partie qui vibre et c’est donc la corde.

II°) Importance du milieu du propagation

• Observez la vidéo.1°) Que fait la pompe à vide ?

Elle aspire les molécules d’air contenues sous la cloche.

2°) Qu'observez-vous pour le son émit par la sirène une fois que le ‘‘vide’’ a été fait ?

On n’entend plus de son.

3°) Que faut-il pour qu'un son soit perçu ?

Il faut la présence d’un gaz pour que le son propage.

4°) Que penser du film Gravity (voir extrait projeté) ?

On n’entend pas le bruit de l’explosion car dans l’espace, il n’y a pas de gaz, donc le son ne peut pas se propager.

Haut parleur

Bougie

III°) Amplification du son

• Faire sonner le diapason seul.• Faire pareil mais cette fois le diapason est placé sur sa caisse de résonance.

1°) Que constatez-vous ?

On constate que le son est amplifié quand le diapason est sur sa caisse de résonnance.

2°) A quoi sert la caisse de résonance pour le diapason ? A quoi sert la table d’harmonie et la caisse pour une guitare.

La caisse de résonance sert simplement à amplifier le son et c’est pareil pour la caisse + table d’harmonie de la guitare.

IV°) Fréquence de vibration d’une corde et fréquence du son émis

a°) Fréquence de vibration de la corde

Montage à réaliser

J Réaliser le circuit ci-contre (la résistance et la photorésistance seront branchées sur la platine).

J Placer le laser en face de manière à ce que le faisceau lumineux arrive sur la photorésistance.

J Placer entre les 2 composants précédents, le sonomètre de manière à ce que sa corde intercepte le faisceau laser.

J Faire sonner la corde et modifier le calibre et la base de temps de la voie 1 (CH1) de l’oscilloscope de manière à observer une tension variable.

caisse

1°) Expliquer physiquement pourquoi la tension varie ?

La tension varie parce que la corde coupe le faisceau laser ce qui fait diminuer la lumière qui arrive sur la photorésistance et donc fait varier la tension aux bornes de la résistance.

2°) Dessiner ci-contre l’oscillogramme obtenu (préciser dessus, le calibre et la base de temps).

3°) Mesurer la période T de la tension. En déduire la fréquence f de vibration de la corde.

T = 3,6 × 1 = 3,6 msT = 0,0036 s.

La fréquence de la corde est :

f = 1T

= 10,0036

f = 2,8×102Hz

b°) Fréquence du son émis par la corde

Montage à réaliser

J Brancher la prise du micro du casque sur l’entrée micro numérique (entrée rose derrière la tour de l’ordinateur).

J Démarre le logiciel Audacity en mode Microphone sur 1 canal d’enregistrement (voir ci-dessous).

Faire sonner la corde et réaliser un enregistrement. 1°) Mesurer l’échelle du document sur l’écran (avec la règle, vous pouvez zoomer) puis déterminer la période T’ et calculer la fréquence f ’ du son correspondante.

Échelle doc : 16,6 cm ↔ 0,050 s 16,2 cm ↔ 13 T ’

Rose Bleu VertRose

1 ms

0,1 V

T

Zoom

13 T ’

Signal enregistré

13T ’= 16,2×0,05016,6

→ T ’= 16,2×0,05013×16,6

=3,8×10−3 s

Échelle doc : 16,6 cm ↔ 0,050 s

f ' = 1T '

= 10,0038

f ' = 2,6×102Hz

2°) Comparer alors la fréquence f de vibration de la corde et la fréquence f ’ du son émis. Conclure.

On constate que f ≈ f ’. Donc la corde vibre à la fréquence f et crée un son de même fréquence.

V°) Mesure de la vitesse du son

L'oreille humaine n'est capable de percevoir que des sons dont la fréquence est comprise entre 2 limites :

1°) Quels sont les limites des sons audibles par l’oreille humaine ?

L’oreille humaine ne peut entendre que les sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Montage à réaliser

J Brancher la prise des écouteurs sur l’entrée niveau ligne (prise couleur bleue) derrière la tour de l’ordinateur. Les écouteurs vont faire office de micros.

J Démarre le logiciel Audacity en mode Stéréo sur 2 canaux :

2°) Rappeler la formule de la vitesse v en fonction de la distance d et de la durée Δt. Donner les unités de chaque grandeur.

v= dΔt

d en m, Δt en s, v en m.s-1

3°) Éloigner les écouteurs d’une distance d comprise entre 20 à 30 cm l’un de l’autre et noter la distance d qui les sépare.

d = 24 cm environ

J Faire un enregistrement d’un CLAP sonore avec les mains. J Le signal étant faible, il faut l’amplifier. Pour cela cliquer Effet → Normaliser et mettre 0,0 dB et valider.

Rose Bleu Vert

Bouton enregistrement

d

Rose

4°) Pourquoi un des signal est-il plus petit que l’autre ?

Un des signal est plus faible car il correspond à l’écouteur le plus éloigné du clap sonore.

5°) Zoomer sur la partie du signal intéressante. Mesurer précisément la durée Δt de passage du son entre entre les deux écouteur. Vous pourrez mesurer avec la règle sur l’écran (agir délicatement).

Échelle doc : 15,1 cm ↔ 0,0060 s 1,8 cm ↔ Δt ?

6°) Calculer alors la vitesse v en m.s-1 (qui se note aussi m/s) du son dans l'air.

v = dΔ t

= 0,24

7,1×10−4

v = 3,4×102m . s−1

7°) La vitesse théorique du son dans l’air est donnée par : (t(°C) est la température) Calculer la vitesse théorique du son dans la classe.

La température de l’air dans la classe est t = 18,7 °C.

8°) Calculer alors l’erreur relative (en %) donnée par |v théo – vexp|v théo

.

|342 –3,4×102|342

= 0,58% d’écart. La mesure est en très bon accord avec la théorie.

v théo= 20,03√t (°C)+273,15

Zoom

Δt

Δ t = 1,8×0,006015,1

= 7,1×10−4 s

v théo = 20,03√18,7+273,15 = 342m . s−1

Signal correspondant à l’écouteur le plus loin du clap sonore.

9°) Donner une cause possible à l’erreur commise lors de la mesure expérimentale.L’imprécision peut venir de la mesure de la distance d car on ne sait pas précisément ou se trouve les capteurs dans les écouteurs.

Mais aussi est ce que le clap sonore s’est bien fait devant les écouteurs car si c’est pas le cas, le son parcourt une distance différente de la distance d qui sépare les écouteurs.

J Observer l’explosion du volcan sur la vidéo placée la répertoire Public.10°) Rédiger un protocole rapide pour connaître la distance d qui sépare le vidéaste du volcan. Réaliser votre protocole et déterminer cette distance d .

Pour connaître la distance d, on utilise la relation v = dΔ t

→ d=v×Δ t

On prendra la vitesse du son égale à v = 340 m.s-1.On mesure la durée avec le temps de la time line entre l’instant ou le volcan rentre en éruption et le moment ou l’explosion est entendue.

Début de l’éruption

Moment ou l’explosion est entendue par le vidéaste

Δt = 94 – 81 = 13 s (1 min 34 s = 94 s et 1 min 21 s = 81 s)

d=v×Δ t=340×13

d=v×Δ t=4,4×103m

VI°) Application : radar de recul d’une voiture (arduino)

Doc 1 : la voiture autonome

La commercialisation de la voiture autonome seralancée aux alentours de 2020.

Cette voiture « se conduira seule », car elle aura uneperception globale de son environnement grâce à lacontribution de plusieurs capteurs : - télémètre laser à balayage (LIDAR*), - caméra, - capteurs à infrarouge, - radars, capteurs laser, - capteurs à ultrasons, - antenne GPS ...

1°) Compléter le tableau en précisant pour chaque capteur le type d'ondes utilisées

CapteurType d’onde utilisée

(mécanique / électromagnétique)Points forts Points faibles

Radar électromagnétiqueLongue portéePerformance de détectionBonne résistance à la météo

Sensibilité aux interférences électromagnétiquesCoût élevé

Capteurs à ultrasons mécaniqueFabrication simple, courte portéeCoût basTraitement simple des données

Précision qui dépend de la températureSensibilité aux conditions météos

Capteurs laser électromagnétiqueLongue portéeGrande précisionCoût bas

Dérèglement fréquentInterférencesSensibilité aux conditions météos

2°) Les radars, les capteurs ultrasonores capteurs lasers utilisent le même principe physique pour détecter un obstacle. Pourquoi ne pas utiliser alors un seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome ?

Car chaque radar à des portées différentes (car ils ont des fonctions différentes).

Doc 2 : Principe du radar (sonar, échographie)Les ultrasons se réfléchissent sur les objets (comme l'écho pour le son). Ce phénomène est utilisé par lessonars, l'échographie, les radars de recul des véhicules ...

Émetteurultrasons

L

Récepteurultrasons

Obstacle

Le principe : un émetteur émet des salves d’ultrasons en direction d’un obstacle, celui-ci les réfléchit (écho) endirection d’un récepteur placé à côté de l’émetteur. Un programme mesure la durée Δt d’aller-retour. Comme on connaît la vitesse v du son, il est facile de remonter à la distance L séparant l’obstacle du véhicule.

1°) Exprimer la distance d totale parcourue par les ultrasons en fonction de L, distance séparant le véhicule de l’obstacle.

On a simplement d = 2×L

2°) Exprimer alors L en fonction de v, Δt.

Comme d=v×Δ t alors L= v×Δ t2

.

3°) Citer un exemple pris dans le monde animal qui utilise ce principe.

L’écholocation de la chauve souris, des dauphins ...

Problématique : park assist défaillant

Vous faîtes partie d’un bureau d’étude qui travaille pour une grandemarque automobile qui vient de rappeler un nombre important devéhicules sur lesquels un défaut dans le programme d’aide austationnement a été remarqué provoquant ainsi de nombreux chocsheureusement sans gravité.

On donne ci-dessous la notice du radar de recul d’une voiture :

En marche arrière le « radar de recul » se met en fonctionautomatiquement.

- L'afficheur dispose de diodes électroluminescentes et d'un buzzer intégré qui émet un signal sonore quand la distance à l’obstacle devient trop faible.

- LED Bleue allumée clignotante si L > 50 cm - LED rouge clignotante si 20 cm < L ≤ 50 cm + buzzer grave- LED rouge clignotante rapide si 10 cm < L ≤ 20 cm + buzzer aigu- LED rouge clignotante rapide si L ≤ 10 cm + buzzer aigu

a°) Partie 1 : étude de l’émetteur – récepteur d’ultrasons

Extrait de la notice du capteur de distance à ultrasons Le capteur HC-SR04 utilise les ultrasons pour déterminer la distanced'un objet.

La broche Trig reçoit des impulsions de durée t1 = 10 µs avec unepériodicité de valeur t2 = 50 μs. Après chaque impulsion, le transmetteurT envoie 8 salves d’ultrasons.

Les ondes se réfléchissent sur l’objet et reviennent vers le récepteuravec un retard t égale à la durée aller-retour des ultrasons.

Récepteurs / émetteurs ultrasonores

Transmetteur Récepteur

La broche Echo génère tout de suite après la fin de réception desultrasons, une tension de durée t.

- La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement. Compléter la figure en y faisant figurer t1 , t2 et le signal émis par la broche Echo ainsi que la durée t aller retour des ultrasons.

b°) Partie 2 : étude du programme défaillant

Ci-dessous est présenter le programme défaillant (commenté) utilisé par le park assist. Il y a 3 erreurs dans ce programme (en gras). Corriger les sur le document puis soumettez-les à votre professeur.

Après validation, faites les corrections sur le programme Radar_Arduino_defaillant.ino avec le logiciel Arduino et téléverser le programme corrigé dans la carte Arduino et tester le radar.

Radar_Arduino_defaillant.ino à corrigerint Echo=8; //n°Broche de la carte arduino à brancher sur la broch de l'émetteurint Trig=9; //n°Broche de la carte arduino à brancher sur la broch du récepteurint DelR=11; //n°Broche de la carte arduino à brancher sur la diode (DEL) Rougeint DelB=12; //n°Broche de la carte arduino à brancher sur la diode (DEL) Bleueint Buzz=4; //n°Broche de la carte arduino à brancher sur le buzzer

float T = 16.1; //Température en °Cfloat v=20,03*sqrt(T+273.15); //Vitesse du son en fonction de la température (sqrt = racine carré)

void setup() { pinMode(Echo,INPUT); //Définition du pin en entrée de tension pour la carte (mesure de tension) pinMode(Trig,OUTPUT); //Définition du pin en sortie de tension pour la carte (génération de tension) pinMode(DelR,OUTPUT); //Définition du pin en sortie de tension pour la carte (génération de tension) pinMode(Buzz,OUTPUT); //Définition du pin en sortie de tension pour la carte (génération de tension) }

void loop() { //Boucle répétition de ce que suit digitalWrite(Trig,HIGH); //Génération d'une pulsion de 10µsdelayMicroseconds(10);digitalWrite(Trig,LOW); //On éteint la broche Trig.

float t=pulseIn(Echo,HIGH)*0.000001; //Mesure de la durée t de l'aller-retour (pulseIn donne la durée entre l'émission et la réception en µs)float L=v*t/2;     //Calcul de la distance L en m, séparant la voiture de l'obstacle

if(L>0.5){ //Si distance >0.5 faire clignoter DelB digitalWrite(DelB,HIGH); delay(500); digitalWrite(DelB,LOW); delay(500);}

else if(L>0.20 & L<=0.5){ //Si 0.20 m < distance <=0.5 m faire clignoter DelR + buzzer grave digitalWrite(DelB,LOW); digitalWrite(DelR,HIGH); tone(Buzz,440);

Trig

Echo

Signal reçu Récepteur

Signal émisTransmetteur

 t1  t

2

 t

 t

delay(500); digitalWrite(DelR,LOW); noTone(Buzz); delay(100);}

else if(L>0.10 & L<=0.2){ //Si 0.10 m < distance <= 0.2 m faire clignoter DelR rapide + buzzer aigu digitalWrite(DelB,LOW); digitalWrite(DelR,HIGH); tone(Buzz,880); delay(150); digitalWrite(DelR,LOW); noTone(Buzz); delay(100);}

else if (L<=0.10){ //Si distance <= 0.10 m faire clignoter DelR plus rapide + buzzer aigu digitalWrite(DelB,LOW); digitalWrite(DelR,HIGH); tone(Buzz,880); delay(50); digitalWrite(DelR,LOW); noTone(Buzz); delay(50);}}

Si le montage n’est pas déjà fait, vous pouvez le réaliser en suivant le circuit ci-dessous :