TP Ultrasons

 Le but est de déterminer la célérité du son dans l'air, cette dernière étant indépendante de la fréquence du son.

1. Introduction: La vibration des cordes vocales, ou celle de la membrane d'un haut-parleur, engendre des ondes sonores.

L'oreille humaine perçoit les sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20000 Hz environ.

Les ultrasons sont des ondes sonores inaudibles pour l'oreille humaine. La fréquence des ultrasons est supérieure à 20000 Hz.

Un émetteur d'ultrasons émet une onde ultrasonore qui reproduit fidèlement la tension électrique appliquée à ses bornes.

Un récepteur ultrasonore transforme l'onde ultrasonore, à l'endroit où il est situé, en une tension électrique qui reproduit fidèlement l'onde ultrasonore.L'émetteur à ultrasons peut émettre des salves d'ultrasons ou des ondes périodiques (voir oscillogrammes).

2. Emission et réception des ultrasons:

L'émetteur et son alimentation ( -15V / 15 V ), les 2 récepteurs reliés chacun à une voie de l'oscilloscope.

3. Le banc acoustique et la visualisation à l'oscilloscope:

Le banc acoustique: l'émetteur, au premier plan, face aux 2 récepteurs, chacun relié à une voie de l'oscilloscope.

 4. Synchronisation des salves reçues:

Les salves synchrones à l'oscilloscope: l'émetteur à gauche et les 2 récepteurs côte à côte.

5. Eloignement d'un des 2 récepteurs:

Le retard d'une salve: l'émetteur à gauche et les 2 récepteurs décalés.

A partir de la situation précédentes où les salves étaient synchrones, on a éloigné d'une distance d ( la plus grande possible ) un récepteur par rapport à l'autre. Le son met plus de temps pour parvenir à ce récepteur et celui-ci montre un décalage temporel t du signal qu'il reçoit. Ce retard t est mesuré à l'oscilloscope: si à l'écran les salves sont décalées horizontalement de 0,3 division et que la base de temps est réglée sur 5 ms/div, le retard vaut t = 0,3 * 5 => t = 1,5 ms. Si le déplacement du récepteur vaut 50 cm, cela fait une célérité du son: c = d / t = 0,5 / 1,5.10^-3 => c = 330 m.s^-1.

 6. Mesure de la période, calcul de la fréquence, mesure de la longueur d'onde, calcul de la célérité:

Le récepteur est sur le mode continu: il émet une onde ultrasonore sinusoïdale de fréquence unique (ultrason pur):

A l'oscilloscope on lit la sensibilité de la base de temps: 10 µs/div. Sur l'écran, 3 périodes correspondent à  0,2 + 7 + 0,3 = 7,5 divisions. La période vaut T = 7,5 / 3 * 10 => T = 25 µs.

On en déduit la fréquence des ondes ultrasonores: F = 1 / T = 1 / (25 * 10^-6) => F = 40 000 Hz. Il s'agit bien d'ultrasons. Les 2 sinusoïdes de l'écran ont la même période et elles sont en opposition de phase.

En éloignant un récepteur par rapport à l'autre, une sinusoïde défile. Les sinusoïdes étant initialement en phase ( les maxima "coïncident" ), elles se retrouvent en phase lorsque le récepteur mobile s'est éloigné de l'autre d'un nombre entier de longueurs d'onde. On compte alors le nombre n de "coïncidences" et on mesure sur le banc acoustique la distance d parcourue par le récepteur que l'on a déplacé.

On en déduit la longueur d'onde = d / n. Par exemple si l'on a compté sur l'écran 40 coïncidences et que le récepteur s'est déplacé de 35 cm sur le banc acoustique, = 35 / 40 = 0,875 cm.

Il faut procéder lentement et couvrir la plus grande distance possible pour avoir le bon nombre n et la meilleure précision sur d.

On calcule la célérité des ultrasons dans l'air :  c =    * F. Dans notre cas, c = 0,875.10^-2 . 40 000 => c = 350 m.s^-1.