Activité n°3 (Exp.) : Mesure de la longueur d’onde

Titre de l'activité : Activité n°3 (Exp.) : Mesure de la longueur d’onde - [Chap. Les ondes sonores]

Durée : 1 h

Compétences

ANA - Exploiter ses connaissances, les informations extraites ou les résultats obtenus
APP - Rechercher et extraire l'information
APP - Connaître le vocabulaire, les symboles et les unités mise en œuvre
APP - Mobiliser les connaissances en rapport avec le problème
COM - Rendre compte à l'écrit ou à l'oral
RÉA - Suivre une procédure, un mode opératoire

Notions

Caractériser une onde mécanique par les grandeurs physiques associées : vitesse, amplitude de la déformation, période, fréquence, longueur d'onde.
Associer la propagation d'une onde mécanique à un transfert d'énergie sans transport de matière dans un milieu matériel.
Définir et mesurer quelques grandeurs physiques associées à une onde acoustique : pression acoustique, amplitude, période, fréquence, célérité.

🎯 Objectif

Mesurer la fréquence et la longueur d'onde d'une onde sonore et en déduire la valeur de sa célérité par le calcul.

Méthode :

Pour mieux comprendre la situation expérimentale on utilisera le logiciel simulasON. Il s'agit d'un simulateur qui anime un modèle microscopique du son dans un tuyau sonore.

👁️ 1ère partie : Mesure de la fréquence des ultrasons ⚓

Complément : 🧪 Expérience

Alimenter un émetteur d'ultrasons, noté \(\mathbf E\), à l'aide d'un GBF réglé à une fréquence proche de \(40\ \mathrm{kHz}\). Poser, face à \(\mathbf E\), un récepteur (noté \(\mathbf{RA}\) sur la figure ci-dessous) branché aux bornes d'un système d'acquisition.
Les paramètres d'acquisitions sont les suivants :
- durée totale : \(250\ \mathrm{\mu s}\) ;
- 500 points de mesure.
Réaliser une acquisition.

Exploitation ⚓

Complément : Document n°1 : Infrasons, sons et ultrasons

Les ondes sonores audibles modélisent les sons auxquels une oreille humaine saine est sensible. Leurs fréquences sont alors comprises entre \(20\) et \(20\ 000 \ \mathrm{Hz}\).

Les sons de fréquence trop élevée pour être perçus sont les ultrasons, modélisés par des ondes ultrasonores. Leurs fréquences sont supérieures à \(20\ 000 \ \mathrm{Hz}\)

Les sons de fréquence trop basse pour être perçus sont les infrasons, modélisés par des ondes infrasonores. Leurs fréquences sont inférieures à \(20 \ \mathrm{Hz}\).

Question⚓

Q1. Utiliser le résultat de l'acquisition pour réaliser la mesure la plus précise possible de la période de l'onde ultrasonore enregistrée.

Question⚓

Q2. Vérifier que cette valeur de période est compatible avec la fréquence affichée par le GBF.

Question⚓

Q3. En quoi ce résultat permet-il d'interpréter le fait qu'on n'entende rien ?

Solution ⚓

Q3.

Avec la période \(T\), on calcule la fréquence : \(f=\dfrac{1}{T}\).

La fréquence trouvée est supérieure à ce que l'oreille humaine peut entendre.

👁️ 2ème partie : Mesure de la longueur d'onde des ultrasons ⚓

Complément : 🧪 Expérience

Reprendre l'expérience précédente, brancher un deuxième récepteur (noté \(\mathbf{RB}\)) sur la carte d'acquisition utilisée et le placer derrière \(\mathbf{RA}\)).
Positionner le récepteur \(\mathbf{B}\) afin que les signaux reçus par \(\mathbf{A}\) et \(\mathbf{B}\) soient en phase (c'est-à-dire que les maxima et les minima soient simultanés).
Déplacer très lentement le récepteur \(\mathbf{B}\) et observer l'effet produit à l'écran.

📏 Exploitation et mesure de la longueur d'onde ⚓

Question⚓

Q4. À quelle condition sur la position relative de \(\mathbf{A}\) et \(\mathbf{B}\) les signaux reçus sont-ils en phase ?

(Aide : utiliser l’activité 1 – 3ème partie)

Solution ⚓

Q4.

Les signaux reçus sont en phases si la position relative de \(\mathbf{A}\) et de \(\mathbf{B}\) sont des multiples entiers de la longueur d'onde.

Question⚓

Q5. À l'aide de ce que vous avez observé, proposer une méthode permettant de mesurer la longueur d'onde des ultrasons étudiés.

Aide :

Avec le logiciel simulaSON, simuler une onde sonore de fréquence 1,5 Hz, afficher le modèle microscopique ainsi que la fenêtre « évolution temporelle de la pression ».

Placer deux capteurs dans le tuyau sonore et les disposer afin que les signaux reçus soient en phase.

Solution ⚓

Q5.

Placer un second récepteur en phase avec le premier de telle manière que la distance qui les sépare soit la plus petite possible.

Question⚓

Q6. Décrire votre méthode et procéder à la mesure. Noter le résultat obtenu.

🔎 Amélioration de la précision de la mesure ⚓

Question⚓

Q7. Déterminer la valeur théorique de la longueur d’onde. (Donnée : \(c=340\ \mathrm{m\cdot s^{-1}}\))

Solution ⚓

Q7.

\(\lambda =c \times T= \dfrac{c}{f}= \dfrac{340}{40\cdot 10^3}=8,5\cdot 10^{-3}\ \mathrm{m}=8,5\ \mathrm{cm}\)

Question⚓

Q8. Comparer les deux valeurs, et proposer une méthode pour améliorer la mesure.