P01 : CELERITE DU SON ET DES ULTRASONS DANS L'AIR
I. OBJECTIFSOn visualise une onde sonore à l'aide d'un microphone et d'un oscilloscope : Le microphone transforme l'onde sonore qu'il reçoit en une tension électrique variable à ses bornes. On visualise cette tension sur l'une des voies d'un oscilloscope en mode balayage : les variations de l'onde sonore au cours du temps sont analogues à celle de la tension visualisée.
III. ETUDE DE LA PROPAGATION DES ULTRASONS DANS L'AIRmatériel : un émetteur et un récepteur d'ultrasons, un GBF (Générateur Basse Fréquence) et un oscilloscope
1) Détermination de la fréquence de l'onde ultrasonore à partir de l'oscillogramme
Réglages de l’oscilloscope :
Réglages du GBF :
Montage :
Réaliser le montage ci-dessous, l'émetteur et le récepteur sont placés dans le rail gradué, à quelques cm l'un de l'autre.
2) mesure de la longueur d'onde
Placer le bord du récepteur sur une graduation " entière " de la règle (par ex sur 10 cm). Cette position sera la position 0 du récepteur.
Placer l'émetteur devant (entre 0 et 10 cm), de telle façon que les signaux soient en phase. Ne plus toucher à l'émetteur.
A partir de cette position 0, éloigner lentement le récepteur de l'émetteur pour obtenir à nouveau les signaux en phase. Le récepteur est alors en position 1.
En ces 2 positions l'état de l'onde est donc exactement le même. La distance qui sépare la position 0 et la position 1 représente donc la période spatiale ou longueur d'onde l de l'onde sonore.
Pour améliorer la précision déplacer non pas une fois mais 10 fois le récepteur de suite pour retrouver les signaux en phase à partir de la position 0. Noter la distance séparant les positions 0 et 10.
Que représente cette distance ? En déduire la valeur de la longueur d'onde l des ultrasons étudiés.
3) Calcul de la célérité des ultrasons dans l'air
Rappeler la relation entre fréquence f , longueur d'onde l et célérité v d'une onde périodique. Calculer la célérité des ultrasons dans l'air, à température ambiante, en tenant compte des résultats obtenus au III.1) et au III.2). Faire un calcul d’erreur (vitesse théorique vth=340 m/s)
IV. ETUDE DE LA PROPAGATION D'UN TRAIN D'ONDES ULTRASONORES1. Emetteur en mode " salve "
Il s’agit d’un mode de fonctionnement où l’émetteur produit pendant un très court instant une succession d’ondes ultrasonores (appelé un train d’ondes ou salve) puis un silence. L’ensemble {train d’ondes + silence} se répète ensuite à intervalle de temps réguliers.
Deux choix sont possibles :
Le mode " continu " de l’émetteur correspond à une onde sinusoïdale de fréquence f=40 kHz (identique à celle créer par un haut-parleur branché sur un GBF délivrant une tension sinusoïdale de fréquence f=40 kHz, voir le III)
2. manipulationL’émetteur :
L’oscilloscope :
Les récepteurs :
MATERIEL
4 groupes :
1 GBF
un émetteur et un récepteur d’ultrasons (" les vieux ")
un rail gradué
un oscilloscope (HAMEG 203-6 si possible)
4 groupes :
1 alimentation +15/-15V
un émetteur et 2 récepteurs JEULIN
un rail gradué
Au bureau :
Un oscilloscope à mémoire
Un HP branché sur un GBF
Un microphone branché sur une voie de l’oscilloscope
Un diapason
Deux tiroirs en bois (pour faire un " clap " sonore)