CORRIGÉ - Carrefour FGA
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2014-2015 SAÉ C2-C3 SCT-4061 SAÉ - LE HAUT-PARLEUR EN VEDETTE CORRIGÉ Source Concepts préalables SCT-3061 •Fonction d’alimentation •Fonction de conduction •Symboles des composants électriques Concepts préalables SCT-3063: •Fréquence •Longueur d'onde •Amplitude •Échelle dB (décibel) Concepts prescrits SCT-4061 •Forces d'attraction et de répulsion •Champ magnétique d'un fil parcouru par un courant •Champ magnétique d'un solénoïde •Champ électrique •Électricité statique •Standards et représentations : schémas et symboles •Fonction de transformation de l'énergie Corrigé| Par Diane Gosselin, CSSH et Alain Roy, CSP source SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 Mise en situation On dit que c’est facile de fabriquer soi-même un haut-parleur. Mais qu’en est-il? Comment les haut-parleurs fonctionnent? Comment sont-ils conçus? Telles sont les questions auxquelles vous devriez être en mesure de répondre à la fin de cette situation d’apprentissage suite à la réalisation d’une étude de principe sur le hautparleur et peut-être serez-vous prêt, par la suite, à tenter l’expérience de la fabrication d’un haut-parleur. 1- Quelles sont vos connaissances actuelles sur le haut-parleur? Exemple de réponses : Amplifie le son. Il comporte une membrane qui vibre selon le son. Il est souvent accompagné d’une enceinte. Il fonctionne à l’électricité. 2- Où retrouve-t-on des haut-parleurs dans notre environnement? Exemple de réponses : Cellulaire Ordinateur Télévision Système de son Radio-réveil 3- Qu’est-ce que le son? Le son est une vibration mécanique d'un fluide, qui se propage sous forme d'ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide. Les êtres humains, comme beaucoup d'animaux, perçoivent cette vibration grâce au sens de l'ouïe. Source : http://fr.wikipedia.org/wiki/Son_(physique) 1 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 4- Qu’est-ce que la fréquence d’une onde? Nombre d’oscillations par seconde. 5- Quelle est la plage de fréquence audible de l’oreille humaine? 16 Hz et 15 à 20 kHz. 6- Encerclez la bonne réponse. Une onde sonore de basse fréquence produit un son grave ou aigu? 7- Qu’est-ce que la longueur d’une onde? C’est la distance entre deux points identiques d’une onde, à un instant donné (ex. distance entre deux crêtes). 8- Comment définissez-vous l’amplitude d’une onde? Puissance du son. 9- Situez, sur l’Échelle dB (décibel), le niveau dangereux pour l’oreille humaine pour la durée d’une journée d’école (8 heures). 80 dB 2 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 Formuler une hypothèse Selon vos connaissances actuelles, par quel principe scientifique le hautparleur arrive-t-il à produire un son? Choix de réponse : A) Grâce à l’électricité statique B) Grâce au champ magnétique C) Grâce au champ électrique Expliquez votre raisonnement : Bonne réponse : B Exemple de raisonnement : La présence d’un aimant et d’une bobine dans le hautparleur impliquent la présence d’un champ magnétique. Le champ électrique quant à lui s’applique à des charges ponctuelles, ce qui n’est pas le cas ici. L’électricité statique s’applique uniquement lorsqu’il n’y a pas de circulation d’électrons. Ici il y a circulation d’électrons dans un circuit. Vérifier l’hypothèse (recherche documentaire) 1) Déterminez la fonction globale du haut-parleur : Transformer un signal électrique en son audible par l’oreille humaine afin d’envoyer la voix et de la musique à de bien plus grandes distances que la voix ordinaire peut accomplir ou afin de permettre de faire entendre de la voix et de la musique enregistrée. 2) Repérez les divers composants du haut-parleur et en déterminez les fonctions respectives solénoïde : produit une force de mouvement lorsque parcouru par un courant en présence de l’aimant permanent. Support cylindrique : supporte le solénoïde Ressort : fonction d’amortisseur Noyau constitué d’un aimant permanent : sert de champ magnétique permanent Support en bois: supporte toutes les composantes 3 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 Partie structure : Châssis ou saladier: sert à maintenir physiquement en place les différentes pièces non mobiles du haut-parleur. Membrane : qui agit tel un piston et repousse les molécules d’air environnantes. De la taille de cette membrane dépend directement la gamme de fréquences retranscrites. Spider : l’amortissement du déplacement de la membrane pour éviter son usure et donc l’altération du son. Suspension périphérique : l’amortissement du déplacement de la membrane pour éviter son usure et donc l’altération du son. Partie moteur : Bobine mobile: Une bobine mobile disposée sur un support cylindrique au centre du haut-parleur dans le sens axial, qui traversé par un courant et sous l’effet d’un champ magnétique va imposer un déplacement à la membrane à laquelle elle est rattachée. Du diamètre de la bobine dépendra en partie la puissance du haut-parleur. Aimant permanent généralement polarisé dans le sens axial permettant d’affecter un champ magnétique aux différents éléments du haut-parleur. Contrairement à une idée reçue, la taille de l'aimant n'a pas de lien direct avec le rendement du haut-parleur, ici l’aimant est simplement utilisé en tant que source d’énergie magnétique. 4 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 3) Représentez schématiquement des principes de fonctionnement et de construction du haut-parleur et de ses composants. source source 4) Décrivez les transformations d’énergie qui surviennent durant le fonctionnement du haut-parleur. Le principe de restitution du son par un haut-parleur s’effectue un trois temps : 1. Un moteur transforme l'énergie électrique en énergie mécanique 2. Ce moteur transmet ensuite cette énergie mécanique à la membrane 3. La membrane transmet l'énergie mécanique à l'air ambiant, d’où la formation d’un son. 5) Décrivez les principes de construction (matériaux et assemblage) du haut-parleur et de ses composants La membrane Les membranes de haut-parleurs sont fabriquées en matériaux rigides qui vont pouvoir résister aux vibrations sans se déformer. La plupart sont en carton traité, mais on en trouve également en Kevlar, en fibre de carbone tressées voire même en aluminium. La suspension Concernant les suspensions, elles sont maintenant faites à base d'élastomère, comme le caoutchouc par exemple. Ces matériaux possèdent en effet des propriétés très intéressantes : ils peuvent supporter de très grandes déformations avant rupture. 5 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 6) Mettre en relation des principes de fonctionnement et de construction du hautparleur et de ses composants en s’appuyant sur des concepts, des lois, des théories ou des modèles. a) Décrivez le comportement d’une boussole dans le champ magnétique d’un aimant suite au visionnement de la vidéo suivante. Il y a phénomène d’attraction des extrémités de polarités différentes qui se manifeste par l’alignement de l’aiguille de la boussole avec l’aimant. Il y a phénomène de répulsion des extrémités de même polarité qui se manifeste par la rotation et la réorientation de l’aiguille de la boussole. Comment ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur? L’aimant du haut-parleur étant fixe, le fait de changer le sens du courant dans la bobine (solénoïde), crée un phénomène d’attraction et de répulsion en alternance d’où origine le mouvement de la membrane. b) Décrivez le comportement d’une boussole dans le champ magnétique crée par un fil parcouru par un courant électrique suite au visionnement de la vidéo suivante. Sans le passage de courant les boussoles sont alignées. Lorsque nous faisons passer un courant les boussoles dévient perpendiculairement au fil conducteur. et "tendent" à s'orienter Le sens du courant détermine l'orientation des boussoles. Ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur? Justifiez. NON. Il ne s’applique pas directement au haut-parleur puisque dans ce cas, il s’agit plutôt d’un champ magnétique produit par un solénoïde. 6 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 c) Décrivez le champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant électrique (règle de la main droite) Lorsqu'un courant circule dans un fil, il y a un champ magnétique induit autour de ce dernier. Le sens du champ magnétique est déterminé par le sens du courant et l'intensité du champ magnétique est déterminée par l'intensité du courant. La règle de la main droite permet de déterminer l’orientation du champ magnétique. Lorsque le pouce de la main droite est placé dans le sens du courant, les doigts sont orientés dans le sens du champ magnétique. d) Nommez des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit autour d’un fil parcouru par un courant. Expliquez leur influence sur l’intensité du champ magnétique. Il y a deux moyens : changer la nature du fil et modifier l’intensité du courant. Plus l’intensité du courant est grande, plus l’intensité du champ magnétique est grande. La nature du fil influence la conductibilité électrique et par conséquent l’intensité du courant. Plus un fil est conducteur, plus il permet une intensité de courant élevée. e) Nommez des moyens d’induire un courant électrique dans un fil. Mouvement d’un aimant Variation du champ magnétique par la rotation de la bobine, entre autre. f) Décrivez le champ magnétique produit par un solénoïde (règle de la main droite) Lorsqu'un courant circule dans un enroulement de fil (solénoïde) ce dernier se comporte comme un aimant. Il produit ainsi un champ magnétique. Le sens du champ magnétique est déterminé par le sens du courant et l'intensité du champ magnétique est déterminée par l'intensité du courant. La règle de la main droite permet de déterminer l’orientation du champ magnétique. Le pouce indique le nord lorsque les doigts sont orientés dans le sens du courant. 7 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 Comment ce comportement observé s’applique-t-il au haut-parleur? Lorsque le champ magnétique créé par le courant circulant dans le solénoïde interagit avec le champ magnétique de l’aimant permanent du haut-parleur cela nous donne un mouvement de va-et-vient de la membrane puisque le solénoïde est fixé à la membrane. g) Nommez des moyens qui permettent de modifier l’intensité du champ magnétique produit par un solénoïde. Expliquez leur influence sur l’intensité du champ magnétique. Il y a trois moyens permettant de modifier l'intensité du champ magnétique produit par un solénoïde; soit la variation du nombre de spires, le changement de la nature du noyau et la variation de l'intensité du courant. Plus le nombre de spires est grand, plus l’intensité du champ magnétique est grande. Plus l’intensité du courant est grande, plus l’intensité du champ magnétique est grande. La nature du noyau influence l’intensité du champ magnétique. Exemple, un noyau ferromagnétique implique une plus grande intensité du champ magnétique qu’un noyau de bois. Ces divers moyens de modifier l’intensité du champ magnétique s’appliquent-tils au haut-parleur? Justifiez. OUI. L’amplitude de déplacement de la membrane du haut-parleur se produit selon la variation du champ magnétique en intensité et en orientation. Ainsi les concepteurs choisissent les matériaux du noyau et ils adaptent le nombre de spires en fonction de la puissance sonore désirée. La variation de l’intensité du courant est une caractéristique extrinsèque au haut-parleur. Elle provient de l’amplificateur. Lors de la conception du haut-parleur on ne peut que calibrer l’intensité maximale possible qui, en fait, détermine le volume sonore maximal (puissance). 8 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 h) Expliquez l’utilisation du solénoïde dans le haut-parleur suite au visionnement de la vidéo. Lors du passage du courant le champ magnétique produit par le solénoïde interagira avec le champ magnétique de l'aimant et selon le sens du courant dans le solénoïde ce dernier sera attiré ou repoussé par l’aimant. Comme le solénoïde est fixé sur un "amortisseur", il reviendra à sa position initiale lorsqu'il n'y aura plus de courant dans le solénoïde. Une onde sonore comporte des alternances du sens du courant et une fréquence qui lui est propre. Cela fait en sorte que la membrane du haut-parleur qui est fixée au solénoïde mobile bouge par des alternances de va-et-vient selon cette fréquence. 9 SAÉ - le haut-parleur en vedette - CORRIGÉ 2014-2015 Tirer des conclusions 1- Commentez les solutions adoptées pour la conception et la fabrication. Exemple de commentaire : Conception de relative simplicité. 2- Proposez des améliorations au haut-parleur. Exemple d’amélioration : Choix des matériaux pour la membrane, la suspension. 3- Est-ce que votre hypothèse de départ quant au principe scientifique avec lequel le haut-parleur arrive à produire un son était la bonne? Expliquez. Communiquer Remettez le cahier de l’adulte à votre enseignant (e). Bibliographie : http://perso.univlemans.fr/~fcalvay/mnpm/Projet%20HautParleur%20Suspension.pdf 10 Wikipédia
