P01 : CELERITE DU SON ET DES ULTRASONS DANS L'AIR

I. OBJECTIFS
II. PRINCIPE DE LA MESURE

On 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'AIR

matériel : 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 ULTRASONORES

1. 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. manipulation

L’émetteur :

L’oscilloscope :

Les récepteurs :

MATERIEL

4 groupes :

4 groupes :

Au bureau :

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depuis le 1er septembre 2001