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Document 1. La propagation des ondes sonores Les ondes sonores se propagent dans l’air dans toutes les directions avec une célérité de 343 m.s-‐1 à 20°C. Dans un solide, elles se propagent plus rapidement et dans une seule direction. On peut déterminer la célérité (la valeur de la vitesse de propagation) d’une onde sonore par deux méthodes :

1. Par mesure d’un retard 2. Par mesure de la longueur d’onde

Le montage utilisé est présenté dans la figure ci-‐dessous :

Document 2. Détermination de la célérité des ultrasons par mesure d’un retard Dans le montage du document 1 l'émetteur E est relié au boîtier d'alimentation (tension 0 V -‐ 15 V)

o Mettre l’émetteur en mode « rafales courtes ». o Relier les deux récepteurs R1 et R2 aux deux entrées de l’oscilloscope. Les positionner côte à côte

face à l’émetteur. o Régler l’oscilloscope afin d’obtenir à l’écran le signal de réception des salves par les deux

récepteurs. o Décaler verticalement les deux courbes afin de pouvoir les distinguer. o Éloigner le récepteur R2, dans la direction émetteur-‐récepteur, d’une distance d suffisamment

grande pour pouvoir mesurer avec précision le retard ultrasonore τ du récepteur R2 par rapport au récepteur R1.

o Mesurer τ : τ = __________ et la distance d entre les récepteurs : d = __________. o Compléter le tableau :

d [m] τ [s]

o Tracer d en fonction de τ. Modéliser les mesures par une droite et déterminer son équation. Le coefficient directeur de la droite peut être interprété comme la célérité du son dans l’air.

Document 3. Détermination de la célérité des ultrasons par mesure de la longueur d’onde

o Passer l’émetteur en mode continu. o Positionner les récepteurs côte à côte en face de l’émetteur. o Observer leur trace à l’oscilloscope ; elles sont en phase. o Éloigner doucement le récepteur R2. Le signal reçu par R2 se décale vers la droite par rapport au

signal reçu par R1.Le décalage temporel τ entre les deux sinusoïdes représente le retard de réception d'une même zone de surpression, de R2 par rapport à R1. Le retard τ est d'autant plus grand que la distance d est grande.

o Les signaux reçus par R1 et R2 étant dans le même état de vibration, R1 et R2 sont séparés d'une distance égale à une distance égale à une longueur d'onde d = λ. La mesure est peu précise car d est proche de la précision de la règle (1 mm). Pour améliorer la précision sur la mesure de λ, on peut mesurer 20 mises en concordances consécutives. Dans ce cas λ= d/20. o La célérité des ultrasons peut alors être déterminée de la relation c=λ f, où f représente la

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fréquence des ultrasons.

Fig.1

Fig.2

Fig.3

Document 4. Le générateur d’ultrasons Un capteur sonore (ou transducteur ultrasonique) est principalement constitué d’un élément piézoélectrique présentant la propriété d’osciller sur une fréquence ultrasonique qui est généralement de 40kHz. La bande passante est de l’ordre de 4kHz. Les capteurs sonores sont réversibles et, de ce fait, peuvent aussi bien fonctionner en émetteur qu’un récepteur. Un émetteur d’ultrasons (E), de fréquence f égale à 40kHz, est alimenté en reliant les bornes de la zone alimentation à un générateur de tension continue (attention à la polarité).

Travail à effectuer

• Déterminer de la célérite des ultrasons par la méthode du retard et par la méthode de la longueur d’onde

• Evaluer à chaque fois l’incertitude relative

Eric DAINI Lycée Paul Cézanne Aix en Provence © http://labotp.org


III. CELERITE DES ONDES ULTRASONORES, v

1) Mesure indirecte a) Ecrire la relation entre la célérité v et la période T. b) Déterminer la valeur de la célérité v des ondes US en m.s-1.

c) La célérité du son dans l'air est donnée par la relation: vth = MRT

avec = 1,4; R = 8,314 SI; T en K;

M = 28,8.10-3 kg.mol-1. Calculer vth pour la température du jour de l'expérience 22,5 °C 294 K. Comparer avec la célérité des ondes US. Écart relatif.

2) Mesure directe Placer à nouveau les deux récepteurs R1 et R2 sur la graduation 0 mm. Décaler verticalement sur l'écran les deux signaux reçus (curseur « Position ») pour qu'ils ne se chevauchent pas. Régler le balayage sur « 1 ms ». Régler l'émetteur en mode Salves. Déplacer R2 par rapport à R1 d'une distance d la plus grande possible sur la règle grise. Faire vérifier vos signaux.

a) Reproduire les signaux observés. b) Noter la valeur de d entre les deux récepteurs m. c) En utilisant le bouton « Curseur » déterminer le décalage temporel t entre la réception d'une même salve par les deux récepteurs. L s. d) En déduire la célérité v des ondes US dans l'air.






avec = 1,4; R = 8,314 SI; T en K;









avec = 1,4; R = 8,314 SI; T en K;




Ondes et particules [ activités expérimentales ] Fiche TP PHY01

OSCILLOSCOPE NUMÉRIQUE

(1) Principe de l’oscilloscope numérique

Un oscilloscope permet de visualiser la forme de certaines ondes. Cette forme est celle d’une onde

captée en un point de l’espace pendant une durée déterminée.

Un oscilloscope n’est sensible qu’à une tension électrique ; il fonctionne comme un voltmètre. Il suffit

de le brancher entre deux points pour visualiser la tension qui existe entre ces deux points. Ainsi, il permet

d’étudier les ondes électriques (signaux électriques) dans les circuits. Pour les autres grandeurs physiques

associées aux ondes, il faut utiliser un capteur.

Par exemple :

– pour relever l’évolution d’une intensité, il suffit de se brancher aux bornes d’un résistor, la tension

relevée est l’image de l’intensité à une constante près (u(t) = Ri(t)) ;– pour observer une onde acoustique, un microphone transformera les variations de pression en varia-

tions de tension ;

– il existe, de même, des capteurs d’intensité lumineuse, de température, de position, de pH,. . .

L’oscilloscope numérique est utilisé plus spécialement dans l’étude des ondes progressives périodiques

à durée indéterminée, mais il peut être aussi utilisé pour relever des ondes de durée brève comme des claps

sonores par mémorisation des signaux captés.

rem.La tension d’entrée u(t) est « numérisée » c’est à dire « échantillonnée » puis « quantifiée » sous la forme d’une

suite de couples (ti ,ui )1≤ i ≤N avec N , nombre d’échantillons acquis.

Ces échantillons sont mis en mémoire, lorsque la mémoire est remplie, la courbe représentative du signal

est reconstruite et affichée sur l’écran.

(2) Étude du signal de commande d’un générateur d’ultrasons.

Un capteur sonore (ou transducteur ultrasonique) est principalement constitué d’un élément piézoélectriqueprésentant la propriété d’osciller sur une fréquence ultrasonique qui est généralement de 40kHz. La bande pas-sante est de l’ordre de 4kHz. Les capteurs sonores sont réversibles et, de ce fait, peuvent aussi bien fonctionner enémetteur qu’en récepteur.

Un émetteur d’ultrasons (E), de fréquence f égale à 40kHz, est alimenté en reliant les bornes de la zonealimentation à un générateur de tension continue ( ! à la polarité).

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