XXI es Olympiades de Physique France Elèves porteurs du projet : Amanda Anwaya, Audrey Himmer, Jéromine Roberge Professeur encadrant : M. Michel Lycée Douanier Rousseau (53) 1 Résumé L’effet photo-acoustique est un phénomène peu connu, c’est pourquoi nous avons voulu le découvrir et le mettre en évidence de la manière la plus spectaculaire et la plus ludique possible. Nous avons réalisé une première expérience inspirée du mémoire de Graham Bell. Cette expérience simple dans le principe permet d’entendre ce phénomène et de bien en comprendre le principe. Cependant l’effet n’était pas suffisamment spectaculaire à notre goût. Avec notre partenaire de l’université du Mans nous avons imaginé et mis progressivement au point une manipulation répondant à nos espérances. Nous avons entrepris de faire chanter une simple lame de microscope! Ce projet nous a conduit notamment à moduler, par un message musical, la lumière émise par un spot Del. 2 Remerciements Nous tenons à remercier tous les personnes qui nous ont aidées à faire chanter notre lame. Qu’il s’agisse des laborantins du lycée Douanier Rousseau, des chercheurs du LAUM : Vincent Tournat, Nikolay Chigarev et James Blondeau, de Stéphane Lemaître, professeur d’électronique au lycée Réaumur, ils nous ont tous apporté une aide précieuse pour notre projet. Enfin, un remerciement tout spécial pour notre professeur référant à l’atelier, monsieur Michel, sans qui rien de tout cela n’aurait été possible ! 3 Sommaire Introduction I. Les travaux de Graham Bell : Notre grande source d’inspiration ! 1. Pour commencer, qui est Graham Bell ? 2. Le phénomène photo-acoustique 3. Les travaux de Bell sur le radiophone 4. La naissance d’un nouveau phénomène II. Nos premiers essais III. Les chercheurs du LAUM : au secours de l’aide ! IV. Un spot « DEL » est-il adapté pour notre projet ? 1. Quelles qualités attendons-nous d’une telle source lumineuse ? 2. Nos premiers spots 3. L’alimentation des spots 4. Tentatives de focalisation : un petit coup de main de la chance 5. Comment traiter le signal issu de la carte son de l’ordinateur 6. Quel photorécepteur devons-nous utiliser pour visualiser l’évolution de l’intensité lumineuse ? 7. La photodiode «en question » 8. Premier succès de modulation 9. Notre première musique 10. Vers un phénomène photo-acoustique? V. Comment faire chanter la lame plus fort? VI. La lame chante-t-elle « juste » ? Conclusion 4 Introduction Le son et la lumière sont deux phénomènes naturels très étudiés par la physique. Grâce aux recherches qui ont été menées dans ces domaines depuis de longues années, nous avons aujourd’hui des connaissances très approfondies sur la nature de la lumière et du son et de leurs comportements respectifs. Néanmoins, l’idée d’association entre son et lumière est très rarement abordée. Ce fut le thème de l’atelier scientifique du lycée l’an passé et encore cette année : « son ou lumière ? » :Peut-on transporter du son dans de la lumière ? Le son peut-il agir sur la lumière ? Pour travailler sur ce thème, notre groupe s’est alors formé de trois filles actuellement en terminale S : Jeromine ROBERGE, Audrey HIMMER et Amanda ANWAYA. Nous avons commencé dès la première, nos recherches en nous engageant dans cet atelier scientifique… De gauche à droite : Audrey, Jéromine et Amanda. 5 Nous nous sommes appuyées dans un premier temps sur les travaux de Graham Bell pour mettre en évidence le phénomène photo-acoustique, que nous avons à cette occasion découvert. Nous avons très vite rencontré de nombreuses difficultés que nous n’aurions pas soupçonnées dans un premier temps. En septembre dernier, notre rencontre avec les chercheurs du LAUM (Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine), nous a permis de transformer une étude en un véritable projet. Celui-ci consiste à faire émettre par une lame de microscope une chanson de notre choix. Ceci nous paraissait complètement inimaginable ! En tout cas, ce projet nous a « surmotivées ». D’autant plus que lorsque nous en parlions autour de nous (nos parents, professeurs et camarades) tous étaient surpris et dubitatifs…. Nous étions très contentes de voir défiler à notre atelier de nombreuses personnes pour voir l'avancée des travaux (notamment des personnes qui ne sont pas très intéressées par la physique mais étonnées par ce phénomène) ! Depuis que notre projet s’est précisé, nous avons consacré presque tous les midis et les mercredis après-midi à celui-ci et pris sur nos vacances. Heureusement, nous avons à notre disposition un petit local dans lequel, nous pouvons laisser nos installations et venir dès que l’on peut y poursuivre nos essais. Parfois nous nous y croisons car nous n’avons pas les mêmes emplois du temps. Bref c’est un peu notre « chez nous ». De plus, une fois par semaine, avec M.Michel nous nous « posons » afin de faire un bilan, de discuter, et programmer la suite du travail à fournir. Nous avons imaginé et essayé de mener à bien ce projet... Comment cela est possible? Quel est le principe? Quelles ont été les nombreuses difficultés auxquels nous avons été confrontées et que nous avons dues surmonter ? Et surtout est-ce que le résultat est aussi surprenant qu’on l’espérait ? Si vous voulez les réponses à toutes ces questions, nous vous invitons à jeter un coup d’œil sur ce mémoire! Bonne lecture… 6 I. Les travaux de Graham Bell : Notre grande source d’inspiration ! 1. Pour commencer, qui est Graham Bell ? Alexander Graham Bell, est un scientifique, ingénieur et inventeur Britannique , né le 3 Mars 1947 en Écosse et mort le 2 Août 1922 à l'âge de 75 ans au Canada. Il est surtout connu pour l'invention du téléphone en 1876. Alors qu'il était en France en 1880 pour recevoir le prix Volta, décerné par l'institut de France pour sa découverte du téléphone, il montre un certain nombre d'expériences à des physiciens : cela le met immédiatement sur la piste d'un nouveau phénomène : celui de la photo-acoustique. De retour à Washington il poursuivi ses recherches avec son collègue Tainter sur ce nouveau phénomène jamais observé auparavant...Ces recherches étaient très enrichissantes pour nous et ont constitué une bonne base d'inspiration pour la suite de nos travaux ! 2. Le phénomène photo-acoustique : Aussi connu sous le nom d'opto-acoustique, il consiste à la conversion d'énergie lumineuse en énergie acoustique par un mouvement de compression et dilatation de l'air. En effet, le principe est simple : de la lumière (solaire par exemple) est projetée sur un objet. Celui-ci, absorbe cette lumière et voit son énergie convertie en chaleur. Cet échauffement entraîne une dilatation thermique car la température locale de l'objet augmente, ainsi qu'une onde de pression (=variation de pression locale entre l'objet et la couche d'air au voisinage) générant ainsi une onde acoustique. Néanmoins, une dilatation constante ne permet pas l'obtention d'une onde mécanique, en effet il faut des cycles de dilatations-compressions, c'est pourquoi il est nécessaire que la source lumineuse soit modulée en intensité (intensité variable). Le principe est résumé par ce schéma simplifié que nous avons réalisé pour mieux illustrer ce phénomène : Lumière modulée ou impulsion lumineuse Absorption Échauffement Expansion thermique Onde de pression Détection acoustique 7 3. Les travaux de Bell sur le « radiophone » L’une des premières expériences de Bell était le « radiophone » qui fonctionne selon le principe suivant : D'après Bell : « The functioning of photophone consists in the projecting of voice through an instrument toward a mirror. Vibrations in the voice caused similar vibrations in the mirror. I directed sunlight into the mirror, which captured and projected the mirror's vibrations. The vibrations were transformed back into sound at the receiving end of the projection. The photophone functioned similarly to the telephone, except the photophone used light as a means of projecting the information, while the telephone relied on electricity » . Comme cela est décrit dans le passage précédent, Bell utilise la lumière solaire projetée sur un miroir, derrière lequel on parle. Les vibrations causées par les paroles sont transportées par la lumière solaire au photorécepteur, ici un tube, et le son est alors audible dans ce tube. Cette première expérience qui l'a conduit par la suite à la mise au point du téléphone, est très intéressante car elle l'a également mis sur une nouvelle piste : celle qui nous intéresse : le phénomène photo-acoustique. 4. La naissance d'un nouveau phénomène En 1880, lorsque Graham Bell découvrit le phénomène photo-acoustique avec la lumière du Soleil, il envoya une lettre à son père pour lui décrire ce phénomène, en voici un extrait frappant : « I have heard articulate speech produced by sunlight, I have heard a ray of the sun laugh and cough and sing ! I have been able to hear a shadow, and I have even perceived by ear the passage of a cloud across the sun's disk. Can imagination picture what the future of this invention is to be ... » Nous trouvons que ce passage est vraiment impressionnant ! C'est pourquoi nous avions décidé de faire de Graham Bell une véritable source d'inspiration pour la suite de nos recherches afin d'entendre, nous aussi, le « son de la lumière » ! 8 Cette nouvelle découverte éveilla la curiosité de Bell (et la nôtre aussi)! C'est pourquoi il a rapidement placé différents objets et substances devant la lumière solaire pour voir ce que cela donne. Le résultat était splendide comme il l'évoque dans le passage suivant (extrait de son mémoire) : Bell examina alors les propriétés sonores d'un grand nombre de substances comme la laine, le coton, la soie, de nombreux liquides colorés, le dépôt de noir de fumée et même un cigare entier ! Il reconnu alors que les corps de contextures spongieuses ou fibreuses étaient susceptibles de déterminer des sons beaucoup plus intenses que les corps rigides ou durs. De même que les substances colorées qui absorbent beaucoup de lumière émettent des sons plus forts que celles non colorées. Voici ce qu'il en dit dans sa lettre envoyée de Paris le 2 Novembre 1880 : « ...J'ai combiné une nouvelle méthode pour produire des sons au moyen de l'action de rayons lumineux intermittents sur les substances... Placer la substance à expérimenter dans un tube en verre, réuni par un tuyau en caoutchouc avec l’embouchure du tube à essai, dont on appuie l'autre extrémité contre l'oreille, et projeter alors les rayons lumineux sur la substance renfermée dans le tube. J'ai essayé, avec succès, un grand nombre de substances de cette manière.. J'ai obtenu des effets splendides avec des cristaux de bichromate de potasse et de sulfate de cuivre, et avec la fumée de tabac. Un cigare entier placé dans le tube produisait un son très fort » Pour étudier les sons émis par des substances éclairées de façon périodique, Bell et son collègue Tainter ont mis au point le dispositif suivant : Réfléchis par un simple miroir, les rayons solaires passent à travers un double disque perforé B (dont l'un est mis en rotation par une pédale) afin d'obtenir une source lumineuse intermittente, puis sont collectés par un réflecteur parabolique A. C'est au foyer de ce réflecteur que se trouve la substance à étudier. Ce réflecteur parabolique est relié à un tube en caoutchouc à l’extrémité duquel, il entendait le son photo-acoustique. 9 Afin de disposer d’appareils propres à augmenter les effets sonores déjà reconnus et à les rendre plus facile à étudier, il donna alors aux récepteurs radiophoniques la disposition ci-dessous. C’est une sorte de boîte conique de cuivre fermée à sa base par une lame de verre et terminée à son sommet par un tuyau de cuivre adapté à un tube acoustique. On pouvait placer dans cette cavité conique et contre le verre, différents corps de préférences spongieux et de couleurs noires. Les sons étaient alors plus intenses. Il utilisa du noir de fumée pour enduire l’intérieur de la cavité conique de l’appareil ce qui lui donna de très bons résultats. Les sons étaient d’autant plus marqués à mesure qu’on se rapprochait de la fréquence propre du résonateur, c'est-à-dire quand la fréquence des interruptions lumineuses correspondait à cette fréquence, le son produit devenait très fort et pouvait être entendu par de nombreuses personnes ! C’est ce dernier dispositif qui a le plus attiré notre attention et qui fera l’objet de nos premiers essais. 10 II. Nos premiers essais Comme Graham Bell, nous avons voulu entendre le « son de la lumière », c'est pourquoi nous avons tenté de réaliser une expérience similaire. Pour cela, nous avons recherché différentes sources d'informations internet et documentaires proposant des expériences, semblables et réalisables dans notre atelier ; mais les ressources sur ce sujet sont très rares. C'est seulement dans un article écrit par Charles de IZARRA que nous avons trouvé une manipulation qui nous a semblé accessible et intéressante. Nous nous sommes donc inspirées de cette expérience dont voici le schéma : Notre « Chopper » Lentille convergente Projecteur de diapositives 150Watt Notre cellule photoacoustique phtophtophotoacoustique La première fois que nous avons pu entendre le phénomène photo-acoustique, notre installation était composée d’une lanterne de projection de diapositive munie d’une ampoule de 150 W, d'un chopper en carton pour « hacher » la lumière et d'une cellule que nous avions réalisée. Nous nous sommes rendu compte, que malgré une apparente facilité, des problèmes survenaient à toutes les étapes ! A chaque étape, nous avons fait au mieux pour améliorer le dispositif : – la source de lumière Nous disposions d'une lampe de 150 W. Or celle-ci nous a rapidement posé problème : elle était munie d'un ventilateur, dont le bruit nous gênait lorsque nous tentions d'entendre le son photo acoustique, très faible, et très « noyé » par le bruit. Nous avons demandé au préparateur de « couper » la ventilation. Il a installé un interrupteur qui permet de stopper temporairement la ventilation juste le temps de l’écoute (la lampe chauffe très vite !) Autre problème, cette source de lumière étant très diffuse, nous ne parvenions pas à focaliser suffisamment la lumière. Mais, n'ayant pas d'autres sources de lumière disponibles au lycée, nous avons continué nos expériences avec celle-ci. 11 – la lentille Notre lampe était très large et diffuse. C'est pourquoi nous avons disposé entre la lampe et le chopper une lentille de vergence +8 dioptries. Ainsi nous réduisions les pertes de lumière puisque nous arrivions à faire converger la lumière sur un seul trou du chopper. – le « chopper » Le chopper nous a paru un excellent moyen de moduler la lumière, cependant, nous ignorions tout de la dimension, matière, nombre de trou qu'il devait y avoir. Nous en avons donc réalisé plusieurs en modifiant à chaque fois une des ces caractéristiques, afin de voir lequel convenait le mieux. Notre premier chopper mesurait 10 cm de diamètre et comportait 8 lucarnes. Pour mesurer la fréquence de la lumière arrivant sur la cellule, nous utilisions un stroboscope. Avec ce chopper et notre moteur branché sur une alimentation continue 12V, nous obtenions en éclairant le disque, une immobilisation apparente pour 1713 éclairs/min, soit 28,5 éclairs/sec. En multipliant par le nombre de trous, soit 8, on avions donc une fréquence de lumière de 228Hz. Or à 12V, tension maximale d’alimentation pour ce moteur, il faisait beaucoup trop de bruits et, de plus, nous voulions pouvoir atteindre des fréquences plus élevées. C'est pourquoi nous avons augmenté le nombre de trous et pour cela augmenté le diamètre de notre chopper. En outre, les premiers choppers que nous avons réalisé avaient des trous circulaires (réalisés à la perceuse), nous avons donc tester un nouveau chopper avec des lucarnes plus rectangulaires de manière à ce que la différence lumière/obscurité soit la plus rapide possible et le résultat nous a semblé plus concluant. – le moteur Pour que notre chopper puisse hacher la lumière, il fallait qu'il tourne de manière uniforme. C'est pourquoi nous l'avons fixé sur un moteur du lycée. Cependant, celui-ci était très bruyant, ce qui est très problématique, lorsque que l'on travaille sur un projet d'acoustique tel que le nôtre. C'est pourquoi nous nous sommes mises à la recherche d'un moteur plus silencieux. Par chance, le père d'Amanda, ingénieur en électronique a pu nous en fournir un, qui d'après lui était relativement silencieux, utilisé à l'origine dans les réfrigérateurs. Toutefois nous nous sommes rendues compte en cherchant à l’alimenter que ce moteur nécessitait une tension de 220V pour fonctionner, or il nous est interdit d'utiliser une telle tension … C'est pourquoi nous avons du repartir à la recherche d'un autre moteur. Après quelques recherches, le père d'Amanda est parvenu à nous trouver la « perle rare » : un moteur fonctionnant avec une tension continue de 12V, et surtout beaucoup plus silencieux que notre premier moteur ! Nous avons donc réalisé un nouveau chopper dont le trou central s'adaptait à l’axe de rotation du moteur, de manière à ce que nous puissions le fixer dessus. Le problème est que lorsque nous échangions un petit disque par un grand (pourtant réalisé également en carton léger) le moteur tournait moins rapidement et au final la fréquence maximale des éclairs était comparable à celle obtenue pour le petit disque ! 12 – la cellule Les premières cellules que nous avons réalisées étaient constituées d’entonnoirs dont nous avions noircis les parois intérieures et recouvert la base par une paroi de verre. En effet une cellule photo-acoustique doit être composée d'un milieu 1, bon conducteur de chaleur (ici, le noir de carbone) et déposée en fine couche sur un milieu 2, celui-ci étant au contraire un mauvais conducteur de chaleur (le verre). Nous avons donc noirci l'intérieur d'entonnoirs de différentes tailles avec la flamme d'une bougie de cire d'abeille car nous avions lu que celle-ci était recommandé pour produire du noir de fumée. Pour autant nous avons aussi essayé en noircissant le verre avec la fumée de combustion de l'essence de térébenthine. Cela fonctionnait également bien. Nos cellules photoacoustiques – amplifier le son Le son obtenu avec cette manipulation était certes existant mais très faible. Or Graham Bell utilisait un tuyau pour amplifier le son. C'est pourquoi nous avons adapté comme Graham Bell un tuyau d’arrosage, dont la longueur, calculée en fonction de la longueur d'onde, permettrait d'optimiser l'écoute du son. Nous avons également en frappant à l’aide d’un marteau de diapason nos différentes cellules déterminé leurs fréquences propres (une centaine de Hz) et tenté d’adapter la fréquence des éclairs lumineux à la fréquence propre de notre cellule et de notre tube. Au final, même si le son est audible, il n’était pas à la hauteur de nos espérances.. Il fallait notamment fortement coller l’oreille sur l’extrémité du tube ou de l’entonnoir pour percevoir le son photoacoustique. Nous avons tenté d’utiliser les microphones du lycée en les plaçant à l’extrémité du tube afin d’enregistrer le son photo-acoustique et l’amplifier. En vain.. nous ne pouvions pas non plus les faire pénétrer dans le tube car ceux-ci étaient trop encombrants. 13 III. Les chercheurs du LAUM : au secours de l’aide !! Par chance, monsieur Michel a pu nous mettre en contact avec un chercheur en acoustique : Vincent Tournat. Nous sommes donc allés à sa rencontre au Mans afin que nous lui montrions nos premières réalisations et que nous lui fassions part des problèmes rencontrés. Nous nous sommes donc rendues au mois de septembre au Laboratoire d'Acoustique de l'Université du Maine (LAUM), pressées de pouvoir bénéficier des conseils d'un chercheur. Les premières présentations faites, nous avons eu le plaisir de pouvoir visiter le LAUM, qui est l'un des plus grands centres de recherche acoustique du monde, avec plus de 130 chercheurs (mais seulement 3 femmes permanentes) ! Nous avons donc pu découvrir les différents laboratoires de recherche, les projets en cours ainsi la diversité des équipements dont dispose le LAUM. Vincent Tournat nous a aussi montré quelques manipulations de thermo-acoustique qui ont conforté notre intérêt pour l'acoustique et les phénomènes qui y sont liés. Nous avons terminé par la découverte des chambres sourdes, et l'impressionnante sensation sonore qu'elles produisent. Nous nous sommes mis au travail. Avec surprise, deux autres chercheurs nous ont rejoints, James Blondeau et Nikolay Chigarev, spécialistes en opto-acoustique. Nous avons commencé par leur demander si une mise en évidence simple du phénomène était faite aux étudiants de l’université et leur réponse nous a surprises. Elle est négative. D'après eux, par exemple, les étudiants doctorants évoquent seulement les travaux de Bell dans l'introduction de leur thèse mais ne mettent pas en évidence le phénomène. Cela nous a beaucoup étonnées! Première étape donc : leur présenter la manipulation que nous avons décrite au paragraphe précédent et les difficultés que nous rencontrions. A première vue, les chercheurs ont semblé plutôt septiques sur la faisabilité de notre expérience. En effet nous n'arrivions pas à obtenir le même son qu’à l'atelier. Mais après quelques réglages, nous sommes parvenus à obtenir un léger son. Ils nous ont alors appris que seulement 1% de l’énergie sonore du son produit par l’effet photo-acoustique « sort » de l'entonnoir. Au LAUM, avec Nikolay Chigarev 14 Convaincus malgré tout, nous avons recherché avec eux le moyen d’optimiser cette expérience de manière à ce qu'il puisse être entendu par tout le monde. Pendant deux heures, les idées ont été échangées et immédiatement confrontées à la dure réalité de l’expérience. Les chercheurs ont notamment répondu à une de nos plus grandes interrogations : faut-il éclairer une petite partie de l'entonnoir avec une forte puissance ou éclairer la plus grande surface possible. Pour eux, la réponse était la suivante : il faut essayer de focaliser au maximum la lumière sur la plus petite surface possible. C'est d'ailleurs la raison pour laquelle l'expérience de Bell avec l'énergie du Soleil fonctionnait si bien : le Soleil étant très éloigné, les rayons arrivant à la surface de la Terre sont presque parallèles et donc beaucoup plus faciles à focaliser au foyer image d’une lentille par exemple. Les chercheurs ont donc proposé de mesurer les puissances reçues par l'entonnoir grâce à un wattmètre optique (appareil que nous découvrions pour la première fois) : nous avions 1,5W sur quelques cm². Or cela ne semblait pas suffisant. De plus, une nouvelle interrogation s'est posée : quelle est la véritable source du son ? La couche de carbone qui crée en absorbant la lumière par intermittence une dilatation de l'air et donc une onde sonore ou est-ce la lame de verre collée sur l’entonnoir qui vibre, excitée par l’effet photo-acoustique? Pour valider nos hypothèses, nous avons réalisé une nouvelle manipulation : éclairer une simple lame de microscope que nous avions apportée par hasard, noircie à la flamme d’une bougie, à l'aide d'un laser infrarouge modulé en amplitude. Nous obtenions ainsi une puissance de 700mW sur seulement quelques mm². Le résultat était spectaculaire : le son était très net sans système amplificateur (une manipulation donc très basique), surtout lorsque la partie noircie était directement exposée. Cela nous a surpris car lors de ses travaux, Graham Bell noircissait la face intérieur de la plaque collée sur l'entonnoir, celle-ci n'était donc pas en contact direct avec la lumière. Aurait-on mis en évidence une erreur de Graham Bell ? Toujours est-il que nous avons été « marquées » par cette manipulation très simple et concluante. De plus, la manipulation fonctionnait aussi bien avec des fréquences très différentes. C'est de cette constatation que nous ait venue l'idée que nous pourrions ainsi « envoyer de la musique » sur la lame de microscope. Notre projet se précise… Cependant, réaliser cette manipulation par nous-mêmes nous était impossible car le laser Infrarouge et son alimentation sont totalement hors-budget pour nous (1000-2000 euros) ! Nous avons donc eu l'idée d'utiliser des spots DEL (disponibles en grandes surfaces) dont certaines ont des puissances intéressantes et nous espérions qu'elles soient facilement modulables en intensité. Nous sommes donc rentrées à Laval avec une idée très motivante : faire chanter une lame de microscope ! Mais nous sommes rentrées aussi avec 2 grandes questions : – – Sommes-nous capables de moduler la lumière émise par une DEL ? Notamment par de la musique. Nous ne savions pas si cela était possible ! Les DEL nous permettront-elles d'avoir l'éclairement suffisant pour provoquer l'effet photoacoustique que nous avions mis en évidence de manière si simple au Mans ? 15 IV. Un spot « DEL » est-il adapté pour notre projet ? Les chercheurs du Mans nous ont invités à tester des Del (Diode électroluminescente) désormais disponibles pour le grand public. 1. Quelles qualités attendons-nous d’une telle source lumineuse ? Ces spots peuvent d’une part permettre à priori un niveau de puissance lumineuse intéressant, d’autre part la petite taille d’une Del peut envisager avec des lentilles convergentes de bien focaliser sur un point précis l’énergie lumineuse. L’éclairement d’une surface correspond à l’énergie reçue par seconde et par unité de surface. On peut l’exprimer en J.s-1m-2 ou en W.m-2 Peut-on atteindre un éclairement suffisant et comparable à celui mesuré dans les laboratoires du Mans ? C’est la première question qui se pose à nous. De plus dans notre idée, de transmettre un son, la question suivant s’est posée : Peut-on moduler convenablement l’intensité de la lumière émise par une Del ? Les chercheurs n’ont pas su répondre avec certitude. C’est donc nous qui avons dû chercher la réponse à cette deuxième question. L’idée étant de moduler l’intensité lumineuse émise par une Del par un signal sonore. Comme nous l’avons appris en cours de physique cette année, tout signal périodique peut-être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux. Nous devons donc nous efforcer dans un premier temps de moduler l’intensité lumineuse émise par un signal sinusoïdal. 2. Nos premiers spots Nous avons donc acheté plusieurs spots ; soit dans les grandes surfaces ; soit par internet, de puissance de fonctionnement différentes. Voici les trois premiers spots que nous avons testés. (Le cache en plastique qui focalise en partie la lumière a été retiré). Spot 1 Spot 2 Spot 3 16 Les spots 1 et 2 sont en fait constitués de trois Del qui consomme chacune environ 2 Watt. Le troisième spot est constitué d’un assemblage compact de 12 Del ( 12 « coulées » dans une demi-sphère d’un milieu transparent en plastique). La puissance consommée en fonctionnement normal est pour ce spot 7W. La consommation indiquée en Watts sur l’emballage représente la puissance électrique consommée c'est-à-dire l’énergie qui doit être fournie au spot en 1s pour un bon fonctionnement. Avec les DEL, 80% de l’énergie électrique reçue par le spot est transformée en énergie lumineuse, c’est-à dire qu’il y a très peu de perte d’énergie en chaleur contrairement aux lampes à incandescence! 3. L’alimentation des spots Au début nous alimentions nos lampes avec un GBF, cependant la lampe ne s’allumait toujours pas à cause de la trop faible intensité qui la traversait. Comme la puissance consommée par une lampe est P U I où U est la tension au bornes de la lampe et I l’intensité qui la traverse ; quand par exemple la tension est à en moyenne 10 V l’intensité doit être de 7/10 A, soit 0,7 A. Or notre GBF ne délivre pas une telle intensité ! Nous avons remédié à ce souci en intégrant dans le circuit un « Généboost », qui n’est autre qu’un amplificateur d’intensité. Ce générateur conserve la tension qu’on lui envoie mais fournit à la sortie l’énergie nécessaire au fonctionnement de la lampe. Il adapte donc notre circuit d’alimentation à la lampe en augmentant l’intensité du courant On obtient donc une intensité et une tension suffisante pour allumer la lampe. Cependant le Généboost a aussi des inconvénients, en effet il « sature » à 10V. De plus, il est muni d’un ventilateur très bruyant ! Les « généboosts » (à la porte car trop bruyants !) Premières constatations: Si la tension envoyée sur la lampe est de valeur moyenne nulle, la lampe ne s’allume pas, sauf si l’amplitude de la tension est supérieure à 5V. Il nous faudra donc ajouter un « offset » (une tension continue), ce qui est facile avec notre GBF. 4. Tentatives de focalisation : un petit coup de main de la chance Pendant plusieurs heures nous avons essayé d’obtenir le phénomène de photo acoustique comme au Mans, c’est-à-dire avec une lame de microscope recouverte de noir de fumé, sauf qu’ici la source lumineuse était l’une des DEL que nous avions acheté. L’enjeu étant de focaliser suffisamment la lumière afin qu’une quantité d’énergie suffisante (que nous essaierons de mesurer avec un Wattmètre lors de notre prochaine visite à l’université du Mans) arrive sur une petite zone de la lame. Nous avons donc essayé de différentes manières. 17 Nous avons retiré les caches en plastique et nous avons tenté de focaliser la lumière émise par une seule Del à l’aide de lentille convergente. Le problème est qu’une lentille convergente ne fournit l’image d’un objet sur un écran (sur notre lame ici) que si la distance objet-lentille est supérieure à la distance focale. Nos lentilles les plus convergentes sont des lentilles de vergences +8 soit une distance focale de 12,5cm. Ceci nous oblige à éloigner la lentille de la Del. Nous perdons ainsi beaucoup trop de lumière ! Nous avons essayé avec des assemblages de lentilles, des objectifs de microscope, d’appareils photos..en vain…. Nous étions prêtes à abandonner l’idée d’utiliser des Del, quand nous avons eu tout simplement l’idée d’approcher très près la lame de la Del. Pour les spots 1 et 2 : Rien. Pour le spot 3, heureuse surprise, nous avons enfin réussi à entendre le phénomène de photo acoustique !!!! En réglant finement notre GBF (c’est à ce moment que nous nous sommes rendu compte, que les réglages de l’alimentation devront être précis), on entendait un son à environ un mètre autour de la lame. Nous ne savions pas avec certitude quels facteurs ont permis cette réussite. Vraisemblablement, ce spot avec sa demi-sphère émet suffisamment d’énergie lumineuse et permet un éclairement suffisant sur notre lame ! Le son était perceptible à l’oreille à presque toutes les fréquences, il était presque aussi fort que lors de notre visite au Mans ! 5. Comment traiter le signal issu de la carte son de l’ordinateur ? Avec le GBF, nous pouvons délivrer une tension sinusoïdale en agissant de manière indépendante sur la fréquence, l’amplitude et l’offset. Nous devons pouvoir faire de même avec le signal issu de la carte son d’un ordinateur par exemple. Comment ajouter à ce signal une tension de offset ? Pour ce faire nous avons utilisé AOP (amplificateur opérationnel) qui nous permet additionner deux tensions lorsque le montage ci-dessous est réalisé : L’AOP que nous avons utilisé : le TL081 R3 R1 R2 ue + u1 Uoffs Masse 18 Où Uoffs est notre tension continue, dont nous pouvons choisir la valeur, et ue la tension variable envoyée correspondant à notre message (son pur généré par « audacity » ou musique). u1 est notre tension de sortie, U u u1 R 3 offs e R1 R2 Si on prend 3 résistances de 1k la tension sortie est bien égale à la somme de celle l’offset et de celle de la musique au signe près, soit : u1 (u e U offs ) Comment amplifier le signal ? Pour amplifier ce signal, nous avons utilisé de nouveau un AOP. Mais cette fois si ce n’était pas pour additionner 2 tensions mais pour multiplier cette tension par un facteur de notre choix. Le montage que nous devons réaliser est le suivant : R5 + R4 us u1 Soit u1 notre tension à la sortie du montage additionneur, et us notre tension à la sortie du montage amplificateur. us R5 R4 u1 . Par exemple : si R4=1k et R5=10k notre tension sera multipliée par 10. En prenant pour R5, une résistance variable (par exemple une boite AOIP) nous pouvons faire varier à notre convenance le facteur d’amplification. Nous avons remarqué qu’en agissant directement sur le curseur « volume » de la carte son de l’ordinateur, nous agissons sur l’amplitude du signal, ce qui sera pratique pour les réglages fins à venir. Au final : R3 R1 R2 ue Uoff R5 + R4 u1 + us s Mass L’utilisation d’une plaque de montageeintégrant un AOP TLO82 remplaçant nos deux TLO81 a permis de rendre ce montage moins encombrant. 19 Améliorations du montage : Après les premiers essais, nous avons remarqué qu’il était préférable de placer l’amplificateur avant le montage additionneur. En effet si nous plaçons le montage amplificateur après le montage additionneur, nous amplifions à la fois le signal « musical » et la tension offset. Or il sera souhaitable d’agir (comme à l’aide d’un GBF) sur l’amplitude et l’offset de manière indépendante. Cependant nous ne pouvons pas seulement intervertir l’amplificateur et l’additionneur sinon on obtiendrait une tension « offset » négative notre montage AOP additionneur doit donc être aussi non-inverseur de signe : Il faut donc réaliser le montage amplificateur R5 + R4 u1 ue puis réaliser et lui faire succéder le montage sommateur non- inverseur suivant : +- u1 us Uoffs R1 R 2 (u1 U offs ) 2R1 Avec ce dernier montage : us Si uS = + ( u1 +U offs) R1=R2 alors cette fois-ci Nous avons rencontré Stéphane Lemaître, professeur en électronique du lycée voisin, qui nous a accordé de son temps pour pouvoir répondre à certains de nos doutes. Il nous a confirmé qu’une Del peut être à priori modulée en intensité car son temps de réaction est très rapide. Cependant comme les fréquences de la musique sont très élevées les changements d’intensités lumineuses devront être très rapides. Rappelons qu’un signal sonore audible possède une fréquence comprise entre 20Hz et 20kHz. Ces variations ne seront pas visibles à l’œil nu, en effet si le signal envoyé au spot dépasse les 55 Hz de fréquence les « clignotements » ne sont plus visibles à l’œil nu. De plus nous ignorons comment l’intensité lumineuse varie !! Varie-t-elle en créneaux ou de manière sinusoïdale comme nous le 20 souhaitons? Il nous faut donc un récepteur capable de transformer un signal lumineux en signal électrique, pour savoir si la lumière reçue est bien modulée en fréquence et en forme comme le signal d’alimentation de notre spot. Bref nous voulons un « œil électronique » ! 6. Quel photorécepteur devons-nous utiliser pour visualiser l’évolution de l’intensité lumineuse ? Nous voulons donc vérifier si le signal (tension en fonction du temps) envoyé pour moduler la lumière se retrouve bien, en forme et en fréquence, dans l’intensité de la lumière. Nous avons donc besoin d’un photorécepteur qui dans un circuit pourra traduire la variation d’intensité lumineuse en variation de tension. Nous avons à notre disposition au lycée une photodiode et une photorésistance. Nous devons donc déterminer laquelle sera la plus réactive aux changements très rapides d’intensité lumineuse. En d’autres termes nous avons essayé de savoir laquelle avait le « temps de réaction » le plus court. Comment avons-nous procédé ? Nous avons branché les photorécepteurs en série avec un générateur 5V continu et une résistance de 1k. La photodiode en principe ne peut laisser passer le courant lorsque le générateur est branché en inverse (voir le schéma ci-dessous), mais lorsque la photodiode est éclairée, un courant apparaît dans le circuit. L’intensité du courant est alors proportionnelle à l’éclairement de la photodiode. Nous avons soumis les photorécepteurs à des flashs lumineux extrêmement brefs émis par un stroboscope. Puis nous avons visualisé l’évolution du courant électrique traversant le circuit en visualisant la tension aux bornes de la résistance. Nous avons utilisé pour cela une carte d’acquisition et observé les courbes de la tension en fonction du temps à l’aide du logiciel « Latispro » Voici notre montage : uR R 1k 5V VV VV + VV VV VV V G Les tensions aux bornes de la résistance uR= ( Ri) traduisent l’évolution du courant i traversant les photorécepteurs. Pour les enregistrements ci-dessous, la fréquence des éclairs est 1292 éclairs/min soit 1292/60= 21,5 Hz et donc une période de 1 / 21,5= 46,4ms. 21 Voici la courbe obtenue avec la photorésistance : Et voici celle obtenue à l’aide de la photodiode : On remarque que lorsque la lumière arrive sur le photorécepteur, celui-ci réagit très vite dans les deux cas. Par contre quand la lumière cesse, le courant dans la photorésistance met environ 30ms pour s’annuler alors que dans le cas de la photodiode, elle met d’après l’enregistrement ci-dessous 100 s soit 0,1ms. 22 Par exemple, si nous alimentons notre spot avec une tension de fréquence 440Hz (La3), nous espérons que l’intensité lumineuse varie avec la même fréquence, soit une période de 1/440= 2,27ms. La photorésistance avec son temps de réaction lumière-obscurité d’environ 30ms, ne suivra pas le rythme !! Notre choix s’est donc naturellement porté sur la photodiode. Nous avons éclairé ensuite la photodiode par notre spot modulé par un signal sinusoïdal simple pour commencer. La plupart du temps le signal reçu était très déformé. Nous ne savions pas à cet instant si c’était la photodiode qui déformait le signal ou si c’était la lumière émise qui était mal modulée ! 7. La photodiode «en question » Stéphane Lemaitre nous a fait remarquer que la photodiode que nous utilisions n’était pas très adaptée. Celle-ci présente un maximum de sensibilité d’après le fournisseur à 850nm. En effet peut-être n’est- elle pas sensible aux longueurs d’ondes des radiations émises par nos spots ? On s’est donc demandé quelles longueurs d’ondes émettaient nos spots ? A l’aide du spectroscope à fibre optique du lycée, nous avons tracé les différents spectres d’émission ci-dessous. 23 Les spectres sont très semblables d’un spot à l’autre et présente deux maximums : l’un proche de 450nm et l’autre proche de 580nm. On remarque tout de même que le spectre du spot 3 est décalé vers le rouge par rapport à ceux des deux autres spots. La photodiode OSD15-E. Nous avons fait l’acquisition de la photodiode ci-dessus. D’après la courbe de sensibilité du fournisseur (« curve 1 »), la photodiode présente un maximum de sensibilité proche de 580nm. Elle est donc bien adaptée à la lumière que nous lui envoyons. Une fois montée, il se trouve que nous avons observé les mêmes déformations de signal ! Notre première photodiode n’était donc pas « défaillante » et nous en concluons simplement que notre lumière est mal modulée. Malgré tout, nous garderons notre nouvelle photodiode car sa meilleure sensibilité à notre lumière (ainsi qu’une surface sensible plus importante) nous permet d’éloigner sans difficulté notre photodiode de la source lumineuse. 24 8. Premier succès de modulation Sans attendre la nouvelle photodiode décrite ci-dessus, à force de jouer sur l’amplitude du signal d’alimentation, nous avions remarqué qu’avec des réglages bien choisis de l’amplitude de la tension et de l’offset, le signal de réception était de qualité et très identique en forme et en fréquence au signal d’alimentation du spot. Nous pouvons donc en déduire d’une part que le spot Del est capable d’émettre une lumière dont l’intensité varie bien de manière sinusoïdale, car le signal obtenu grâce à la photodiode était bien sinusoïdal ! D’autre part, notre première photodiode est certainement opérationnel (on l’échangera malgré tout par la nouvelle) Enfin nous devons comprendre davantage le spot Del qui ne permet de moduler convenablement la lumière que dans une marge de tension étroite ! 9. Notre première musique Encouragées par notre premier beau signal, nous avons voulu entendre une note. Nous avons branché au bornes de la résistance, un montage filtre passe-haut. Le signal en effet est décalé vers le haut car la photodiode est toujours éclairée, d’une part par notre spot, mais aussi par la lumière ambiante (« parasite » pour nous). Le signal ensuite est amplifié à l’aide d’un montage AOP et envoyé sur les enceintes. Nous entendons une belle note et nous nous précipitons à l’ordinateur pour cette fois-ci envoyer de la musique, Après quelques réglages fins d’amplitude et d’ajout de Offset avec nos montages AOP, nous entendons notre première musique de qualité !! Evidemment l’un de nos jeux favoris est de placer la main sur le trajet de la lumière ! Spot et lumière modulée 470nF + G Filtre “passe-haut” Amplification Principe du Filtre « passe-haut » Notre tension est donc composée d’une tension continue (offset) et d’une tension variable. Cependant au final nous ne voulons amplifier et « écouter » que la tension variable (la musique). Grâce à ce type de filtre on peut empêcher de transmettre les fréquences inférieures à une fréquence de coupure fc 25 dont nous pouvons choisir la valeur. On peut partir du principe qu’un Offset est une tension sinusoïdale de fréquence nulle, l’offset sera donc « filtré ». Pour réaliser un filtre « passe-haut » il faut une résistance et un condensateur. Le condensateur est caractérisé par sa capacité C qui s’exprime en Farad. La fréquence de coupure notée f c est égale à : fc 1 2π R C Pour une résistance de 10 KΩ et une capacité de 470nF on a une Fréquence de coupure d’environ 40Hz. fc 1 2π 10 10 470 109 3 33,8 40Hz Nous supprimons sans problème la partie continue du signal sans filtrer les signaux correspondant aux sons graves. Supprimer cette partie continue permet par la suite d’amplifier plus aisément le signal variable qui nous intéresse. En gardant la partie continue du signal, nous risquons de l’amplifier à l’aide du montage amplificateur. Or la tension amplifiée est limitée à -15V/+15V qui correspond à l’alimentation du montage AOP. 10. Vers un phénomène photo-acoustique? Le son obtenu par les enceintes était de bonne qualité. Nous avions l’assurance maintenant que la lumière émise par notre lampe est bien modulée par la musique, nous avons voulu essayé de faire chanter la lame ! Pour ce faire nous avons donc repris notre montage du début (amplificateur +additionneur) et nous avons placé une lame de microscope noircie devant le spot. Et là magie !! On entend la lame chanter pour la première fois, certes lors de nos premiers essais le son est de plutôt mauvaise qualité et on a eu du mal à reconnaître la musique. On distingue la mélodie mais pas les paroles. Fières de notre réussite nous n’hésitons pas à la faire partager à notre entourage (professeurs qui semblaient jusque-là dubitatifs) et à leur prouver que oui, une lame de microscope peu belle et bien chanter ! Pour améliorer notre son, nous devons donc augmenter l’intensité sonore car le son était audible seulement lorsqu’on rapprochait l’oreille de la lame et améliorer sa qualité car quelque fois on entendait des grésillements! Pour ce faire nous devons mieux comprendre le fonctionnement de notre Del afin d’optimiser son fonctionnement. 26 V. Comment faire chanter la lame plus fort ? Pour apporter des améliorations nous sommes intéressées de plus près à notre spot. Nous avons tracé la caractéristique courant-tension I=f(U) de celui-ci et pour cela réaliser le montage suivant : A G V Nous obtenons la courbe rouge. Tant que la tension ne dépasse pas 5,5V, le courant ne passe pas, et la Del ne s’allume pas. Ceci est tout à fait conforme à nos premières constatations. Ensuite l’intensité augmente de manière presque proportionnelle avec la tension. Enfin l’intensité diminue progressivement. (Si le spot est alimenté à l’aide du généboost, la tension est limitée à 10V !). On remarque que la lampe étant prévue pour un fonctionnement normal de 12V et une puissance de 7W, elle doit être parcourue par une intensité de 7/12=0,58 A. Le point de fonctionnement normal pour ce spot est donc le point A. I=f(U) A A 27 I=f(U) U I Pour moduler convenablement la lumière nous devons alimenter le spot avec une tension variant dans l’intervalle U. En effet, le courant varie alors proportionnellement avec U et le signal que nous souhaitons transmettre est susceptible d’être bien reproduit dans la luminosité de la lampe. L’intensité qui varie dans la lampe vaut alors 0,2 à 0,9A mais l’éclairement de la lampe sur la lame ne semble pas très important. Stéphane Lemaître nous a proposé de couper les fils d’alimentation de la demi-sphère de la DEL. En soudant deux fils, nous pouvons alimenter directement la DEL(en faisant cette fois-ci attention à la polarité !). En relevant à nouveau, les couples (I,U), nous pouvons tracer alors la courbe bleue. On remarque alors que la DEL est passante à partir d’une tension minimale un peu plus faible. Par la suite l’intensité augmente très vite. L’intervalle U est plus faible (environ 500mV) mais l’intensité varie alors beaucoup plus, peut-être trop ! En effet la puissance électrique consommée par la lampe en fonctionnement normal est de 7 Watt, et nous devons dépasser ce maximum. Nous prenons donc un risque d’abimer la DEL ou de réduire sa durée de vie ! Malgré tout, ainsi « poussée », la puissance lumineuse émise par la lampe est plus élevée et la variation de luminosité également plus importante. Nous avons également pensé éclairer deux faces de la lame par deux spots identiques branchés en parallèle. Désormais la lame chante beaucoup plus fort et il n’est pas utile de trop approcher l’oreille ! 28 VI. La lame chante-t-elle « juste » ? Dès que nous avons entendu la lame émettre un son, nous avons tenté de faire un premier enregistrement sonore. Sans succès car le son était trop faible et se « perdait » dans le bruit. Une fois le spot optimisé, nous avons retenté l’enregistrement sonore. Le micro est placé très près de la lame. Le signal à la sortie du micro est amplifié environ par un facteur 20 000 (petit montage AOP) puis visualisé à l’aide d’une carte Sysam et le logiciel Latispro. La fréquence est 2070 Hz. Nous avons choisi cette fréquence car l’oreille humaine est très sensible aux fréquences sonores comprises entre 1kHz et 5kHz. Si les réglages sont correctement effectués, on retrouve dans le signal sonore, la même allure et la même fréquence que pour la tension que nous voulons transmettre ! Nous pouvons donc envisager de transmettre une musique de qualité ! Les courbes obtenues sont les suivantes : Vous y avez cru….nous aussi !! Le problème, mauvaise surprise, est que lorsque nous enlevons la lame, le micro enregistre toujours le même signal. On s’est demandé quel était l’origine de celui-ci. En approchant le micro des fils ordinaires, nous avons vite compris..le micro était victime d’un effet d’antennes !! Si nous l’approchons 29 des fils BNC, l’effet était nettement moindre. Nous ne sommes pas parvenues à blinder suffisamment les fils d’alimentation du spot ; l’effet d’antenne persistait. Nous n’avons donc pas obtenu d’enregistrement convaincant !! Avec un microphone cravate, à défaut d’un bon enregistrement, nous sommes parvenues à amplifier le signal et à l’envoyer sur une enceinte. Le son nous a paru de bonne qualité. Nous essaierons de trouver la solution lors de notre prochaine visite au Mans. Conclusion Grâce aux différentes recherches que nous avons menées et aux expériences réalisées, nous pouvons aujourd’hui affirmer qu’il est possible, grâce à l’effet photo-acoustique, de faire chanter une lame de microscope. Ce projet qui nous apparaissait simple au début, nous a confronté à beaucoup de difficultés expérimentales et il nous a permis de découvrir de nombreux domaines de la physique : acoustique, optique mais aussi l’électronique que nous ne connaissions que très peu et que nous ne pensions aborder au début du projet. De plus, cela nous a permis de développer notre esprit d’équipe et de recherche. Actuellement, nous nous efforçons d’améliorer le dispositif pour le rendre plus audible encore et pour cela nous réfléchissons à l’amélioration de la cellule photo-acoustique (dépôts et supports) 30 Bibliographie et Webgraphie - « Sons et lumière », Bernard Valeur , Belin 2008 - BUP n°862 vol 98 mars 2004. Une expérience de photo-acoustique. Charles IZARRA - https://ia700409.us.archive.org/23/items/uponproductionof00bellrich/uponproductionof00bellrich.pdf - http://fr.wikipedia.org/wiki/Montages_de_base_de_l'amplificateur_op%C3%A9rationnel - http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k1083009/f223.image.r=le%20microphone%20le%20radiop hone%20et%20le%20phonographe.langFR 31