TP intrumentation physique Ondes Sonores

ALIMI Ariss

ASLANYAN Julieta

Groupe 2 CB

TP1 : instrumentation physique sur les ondes ultrasonores

Introduction :

Les ondes sonores aussi appelées ondes acoustiques sont représentées par une perturbation mécanique qui se propage dans un milieu élastique matériel, c’est une onde de compression-dilatation du milieu. Ces perturbations sont perçues par l’oreille humaine qui les interprète en sons, l’Homme entend les ondes comprises entre 20 hertz et 20 kHz. Les ultrasons correspondent donc à des ondes acoustiques dont la fréquence est supérieure à 20 kHz, ils sont utilisés dans de nombreuses applications.

Un oscilloscope est un instrument de mesure qui enregistre dans le temps les variations d’une grandeur physique. Il nous permet d’étudier la période, l’amplitude ou encore la longueur d’onde d’une onde.

Dans ce TP, nous allons étudier certaines caractéristiques de l’ensemble émetteur-récepteur ultrasons. On alimente l’émetteur avec une tension électrique fournit par un générateur, on étudiera l’évolution de l’amplitude de l’onde émise en fonction de la fréquence de la tension électrique de l’alimentation de l’émetteur de 40 kHz.

Les ondes sonores sont des outils pour mesurer des distances et par différentes méthodes nous allons constater la précision de nos différentes mesures. Le son est modélisé par une fonction sinusoïdale périodique, cette fonction traduit plusieurs grandeurs qui caractérisent l’onde sonore :

                -  une fréquence,  

     -  une longueur d’onde,  

     -  une amplitude ou intensité sonore

La vitesse de propagation des ondes sonores et leur longueur d’onde dans l’air seront étudiés de manière spécifique par trois méthodes différentes : le déphasage, le temps de vol, l'interférométrie.  La fréquence des ondes ultrasonores est imposée par le générateur et sera de f40KHz. La vitesse du son est d'environ, suivant les différentes méthodes, les résultats devront être des valeurs proche de cette dernière.

Méthode de déphasage

[pic 1]

Selon le principe de superposition des ondes, lorsque deux ondes ou plus se rencontrent elles s’additionnent pour former une onde résultante égale à la moyenne des fréquences. Nous allons mesurer la période de l'ultrason de fréquence f=40Hz grâce à l'oscilloscope. Tout d’abord pour vérifier que la fréquence est la bonne, nous allons mesurer la période temporelle T de cette onde : une période équivaut à 5 carreaux sur l’oscilloscope et 1 carreau vaut 5 microseconde, donc la période temporelle de cette onde est : T = 25 microseconde. La fréquence f = 1/T = 1/ 25 microseconde = 40 000 Hz = 40 kHz. Sur l'oscilloscope, nous obtenons deux courbes sinusoïdales car nous avons un branchement sur le générateur et un autre sur le récepteur. Une courbe correspond donc au générateur tandis que l'autre correspond au récepteur. On peut remarquer que pendant le déplacement du récepteur, la courbe correspondante se déplace à droite et à gauche. On dit que c'est la phase qui change. Le déphasage se caractérise par : les deux courbes sont en phase  les deux courbes sont en opposition de phase les deux courbes sont en phase .Pour employer le terme de déphasage, il faut qu'il y ait eu : phase / opposition de phase / phase .

Nous disposons pour cette expérience d’un générateur branché à un émetteur ainsi que d’un oscilloscope relié à un récepteur. Le générateur fournie aux ondes une fréquence de 40 kHz qui est bien vérifiée expérimentalement lorsque nous branchons le circuit. Ainsi en plaçant l’émetteur et le récepteur face à face sur le banc optique, nous pouvons visualiser une onde sinusoïdale. Par conséquent nous sommes en mesure de mesurer la période T sur l’oscilloscope, c’est-à-dire le plus petit intervalle de temps au cours duquel le phénomène se reproduit identique à lui-même. Pour plus de précision nous mesurons un multiple de n*T avec une incertitude de 0,1, ainsi nous trouvons T=76/3 (+/-) 1/3= 25 (+/-) 1/3 µs.

Sur le banc optique sont placés l’émetteur et le récepteur, nous déplaçons ce dernier de N=12𝛌 qui correspond à une distance de 10,5 cm. En posant 12*𝛌=10,5 nous déterminons que 𝛌= 0,875*10^(-2) m, avec une incertitude de 0,1/12. De plus 𝛌=v*T et v=𝛌/T= (0,875*10^(-2))/(0,0250*10^3) = 350 m/s. Car f=39,93 d’après l’oscilloscope et f=1/T donc T=1/f=0,0250*10^3.

 Calcul d’incertitude de la vitesse: Δv= (0,1/12)*(350)/(0,875)= 3,33.

 Quand une onde rencontre un matériau, une partie de son intensité est réfléchie, une est transmise, une est absorbée. Une onde peut être réfléchie en direction de l’émetteur avec un angle de réflexion identique à l’angle d’incidence.

 L’atténuation d’un signal, est la diminution de la puissance du signal au cours de sa transmission. Elle est proportionnelle au carré de la distance parcourue. L’atténuation acoustique est un affaiblissement acoustique, une diminution de l’énergie de l’onde dans le milieu où il se déplace. La loi en carré inverse nous dit que une quantité physique est proportionnelle au carré de la distance de l’origine de cette quantité, ainsi nous devons vérifier la relation     I=C/(L)^2 en démontrant que I1/I2=(L2)^2/(L1)^2. Nous faisons deux mesures de longueur ainsi que d’intensité à des distances différentes de l’émetteur. Enfin en faisant le calcul I1/I2=15/10=1,5 et (L2)^2/(L1)^2=(27)^2/(22)^2= 1,5 nous confirmons bien la relation énoncée auparavant.

Méthode de temps de transit (Δτ) d'une impulsion : temps de vol 

C'est l'intervalle de temps qui sépare l'émission d'une impulsion de sa réception. On doit mesurer la distance entre les faces émettrices et réceptrices des deux transducteurs Pour cette méthode, nous allons mesurer à l'oscilloscope le temps de propagation d'une impulsion sonore, entre un générateur de salves et un récepteur (microphone à ultra- sons). Le générateur de salves permet d’arrêter l’émission de l'onde.

[pic 2]