Montage n° 24 - Nathalie Rion

V2 - Montage n° 6
Expériences portant sur l'acoustique ; applications
Introduction Que ce soit dans la rue, dans notre habitation, dans une salle de concert
... le son est omniprésent. Il peut donc être donc être produit et émis par
une multitude de sources. C'est notre oreille qui est sensible aux sons
mais elle ne perçoit pas tous les sons lui parvenant (uniquement de 20Hz à
20 kHz). L'acoustique est une branche de la physique dont l'objet est
l'étude des sons. D'un point de vue historique, les phénomènes sonores ont
été étudiés scientifiquement en Occident dès le VIe siècle avant JC. Mais
ce n'est qu'à partir du XVIIIe siècle que l'acoustique, jusque-là comprise
dans l'art musical, devient une science autonome (Galilée et Marin Mersenne
établissent des rapports mathématiques entre la longueur, la fréquence et
la masse des cordes vibrantes; Huygens et Newton posent les fondements de
la théorie ondulatoire selon laquelle le son se propage par vibrations
longitudinales du milieu.) Aux XVIIIe et XIXe siècles, les travaux des
mathématiciens sur la mécanique des cordes vibrantes et autres sources
sonores, ainsi que les recherches expérimentales relatives aux phénomènes
physiques du son permettent de préciser la nature, la formation, la
propagation des ondes acoustiques et les lois qui les régissent. L'ouvrage
de lord Rayleigh A Treatise of Sound (1877) marque l'apogée de l'étude
théorique de l'acoustique.
Au XXe siècle, la découverte de l'électroacoustique ouvre de nouvelles
voies, notamment dans le domaine des ultrasons, et dans les diverses
applications que sont les télécommunications, l'enregistrement, la
reproduction du son, etc.
Nous allons tenter, par ce montage, de mieux comprendre les phénomènes
sonores et déterminer les caractéristiques principales d'un son.
Qu'est-ce qu'un son ? I.1. c'est une onde
I.1.1. Expérience 1
Le GBF (6 à 10 Hz, pas plus) produit un signal électrique qui fait vibrer
la membrane du HP. (régler tout d'abord sa fréquence pour que le son soit
audible. Ensuite, on diminue la fréquence pour observer le phénomène). La
flamme bouge, donc le son se propage en modifiant l'espace autour de lui.
Le son est une onde de perturbation de pression
I.1.2. Expérience 2 (Quaranta I p.274 et 390)
On fait vibrer 2 diapasons (440 Hz, cavité de résonance de l'un tournée
vers celle de l'autre). On frappe un diapason. On arrête la vibration :
le deuxième vibre à son tour.
On recommence l'expérience en empêchant le 2ème de vibrer ou en le
désaccordant .
Le son est bien une onde qui se propage.
I.2. besoin d'un milieu matériel pour se propager
Expérience avec un dispositif d'émission et de réception piezzo d'ultra-
sons. Alimenté par un GBF (Métrix GX245). Visualisation du signal reçu par
un oscillo.
Sans cloche, on visualise la réception du signal. On règle le GBF
(fréquence=40kHz) pour avoir max de signal en réception.
Au fur et à mesure que le vide se fait sous la cloche, l'amplitude du
signal reçu diminue.
Conclusion : le son ne se propage plus dans le vide. Le son est donc une
onde mécanique qui a besoin des molécules pour se propager.
Propriétés d'un son II.1. vitesse de propagation
II.1.1. dans l'air
émetteur/récepteur piezzo ultra-sons. On règle f pour avoir le max
d'intensité ( f=40 kHz)
Détermination par la méthode des phases. On déplace le détecteur pour
avoir signal émis et signal reçu en phase. On note la position relative
des 2 éléments. Puis on déplace l'un des 2 de n longueurs d'onde pour
avoir à nouveau un signal en phase. On mesure n(. D'où (=
( (fréquence) mesurée à partir de T sur l'oscillo.
c=((
faire un calcul d'erreur et comparer à 347 m.s-1
comparaison avec vitesse de la lumière. Ça explique la vue de l'éclair
avant d'entendre le tonnerre... (orage) Depuis la classe de 4ème, les
élèves connaissent la célérité de lumière dans l'air : 300 000 km/s, soit
1 000 000 fois supérieure à celle du son. Etant donné que la célérité du
son dans l'air est d'environ 330 m/s, il faut environ 3 secondes à l'onde
sonore générée par l'éclair pour parcourir 1 km. Il suffit donc de
mesurer la durée entre l'instant où l'éclair lumineux apparaît et
l'instant où le bruit retentit
II.1.2. dans l'eau
Attention : f=30 kHz.
Déphasage de 1 seul ( possible. On n'est pas obligé de faire le calcul
car l'imprécision sera grande. Par contre, ordre de grandeur. La vitesse
est plus grande dans les liquides.
Elles est encore plus grande dans les solides. II.2. analogies avec la lumière
II.2.1. réflexion
(dispositif Jeulin Onduson Ref 222 024) ( application : sonar : mesure de
distances
Oscillo TDS2002 Tektronix 60 MHz
On règle l'inclinaison de la plaque pour avoir le meilleur signal à la
réception.
II.2.2. absorption
Absorption partielle avec la mousse
Même montage que précédemment. Uniquement qualitatif II.2.3. Diffraction - interférences
Diffraction : On bouge angulairement le récepteur : il y a plusieurs
maxis. (Pour qu'il y ait diffraction, il faut que la dimension de
l'obstacle difractant soit de l'ordre de la longueur d'onde du signal à
diffracter)
Interférences : 2 fentes. Plusieurs maxis.
On met ici en évidence le caractère ondulatoire du son Application : acoustique musicale III.1. propriétés d'un son
Un son est défini par :
. Intensité ( amplitude du signal
. Hauteur ( fréquence du signal
. Timbre ( type de signal III.2. analyse spectrale d'un son
analyse spectrale (diapason, diapason désaccordé, micro, OrphiGTS, PC)
. 1ère expérience : un seul diapason : un seul pic à 440 Hz
. 2ème expérience : avec diapason + diapason désaccordé 2 pics (Quaranta
p.400 et 417) : on entend des battements (c'est ce qui se produit
quand le même son est joué par 2 instruments légèrement désaccordés)
En fait, on a des courbes en cloche. Cf questions
Conclusion Nous avons, dans ce montage, montré que le son est une onde mécanique
transversale (zones de compressions et de dilatation du milieu) et qu'il a
besoin d'un milieu pour se propager. Sa vitesse de propagation évolue selon
le milieu dans lequel il se propage : il se propage + vite dans les solide
que dans les liquides ou dans les gaz. En acoustique musicale, un son est
caractérisé par une amplitude, une fréquence et une forme d'onde. Il existe
de nombreuses similitudes entre les ondes sonores et les ondes lumineuses
que nous avons mis en évidence dans ce montage.
Pollution acoustique (réduction des nuisances sonores)
Le son = signature (par exemple, bruit de claquement de portière)
Les applications des ultra-sons sont importantes dans de nombreux
domaines :
. dans le domaine maritime (SONAR, détection des bancs de poissons) ;
. en médecine (échographie, Doppler)
. dans l'industrie, en raison de leur impact positif dans l'amélioration
de la qualité des produits, l'optimisation des rendements de
production, la réduction des effluents (nettoyage, le traitement des
milieux fluides (émulsions, dispersions, sonochimie,...), la découpe,
l'assemblage des matériaux) BIBLIO . Bellier Dunod Ch14
. Duffait p. 276
. BUP n°761 02-1994
. Quaranta p.387 QUESTIONS 1. L'émission des ultrasons est très directive contrairement aux basses
fréquences où l'émission est quasi isotrope. C'est en partie pour cela
qu'on utilise ces ultrasons dans les techniques de sonar (voir plus loin).
Remarque : Ainsi les petits haut-parleurs sont plus directifs que les haut-
parleurs diffusant les basses fréquences.
2. Niveau acoustique :
L : niveau acoustique en décibels (dB)
P : puissance de la source en watts (W)
r : distance source-auditeur en mètre (m)
I0 : seuil normal de sensibitilité de l'oreille I0 = 10-12 W.m-2
. L varie de 0 (seuil d'audibilité) à 134 dB (seuil de douleur)
pour l'oreille humaine.
. Si on augmente la puissance d'une source par deux, son niveau
acoustique augmente de 3 dB.
. Si la distance source-auditeur augmente telle que r2 = r1*21/2,
le niveau acoustique diminue de 3 dB.
1. Propagation = phénomène qui varie dans l'espace et le temps. La
surpression vérifie l'équation de propagation de d'Alembert : [pic].
La solution de cette équation est de la forme p(x,t)=f(x-(t)+h(x+(t)
2. Caractéristique de l'onde sonore ? onde de pression mécanique
longitudinale
3. Fonctionnement d'un HP ? on comprime les zones d'air proches de la
membrane. Un aimant créé un champ magnétique radial. La bobine est
traversée par un courant. D'où création d'une force de Laplace
colinéaire à l'axe du solénoïde sur la bobine, donc sur la membrane
qui est solidaire de la bobine.
4. Diapason le frapper à l'endroit où se trouve une marque. Il y a
différents modes propres de vibration. La cavité ¼ d'onde permet
d'amplifier le mode principal et de tuer les autres modes. (rôle de
filtre et d'amplificateur). Lorsque l'on désaccorde le 2ème diapason,
il ne vibre pas car sa fréquence propre est différente de la fréquence
de l'excitateur. Le son ne peut pas se propager par la table car il y
a des coussinets sous le diapason.
5. Pourquoi ne peut-on pas enlever la cloche quand il y a le vide ? car
la résultante des forces de pression exercées par l'air extérieur sur
la cloche est dirigée vers le bas (il n'y a plus les forces de
pression exercées par l'air intérieur qui compensaient cette
résultante) ; Cf expérience de Magdebourg (2 ½ sphères tirées par des
chevaux)
6. Nature émetteur/récepteur sous la cloche ? ultra-sons.
Piezzoélectrique. Le champ électrique modifie le volume du cristal,
d'où pro