TP 1 Détection d`ondes ultrasonores

CH 1 - TP 1 Détection d'ondes ultrasonores
Travail anticipé : I-1 et 2 ;
II-3)a ;
III-1 ;
I- Mise en évidence d’une onde progressive
Une onde est la propagation d’une perturbation sans transport de matière. On distingue notamment les ondes
mécaniques (comme le son) des ondes électromagnétiques (comme la lumière).
Dans un premier temps, nous nous limiterons à l’étude des ondes mécaniques.
1) Deux types d'onde
On s’intéresse ici au déplacement
–d’une impulsion verticale se déplaçant le long d’une corde horizontale
–d’une compression de quelques spires d’un ressort se déplaçant le long du ressort
Questions :
a) On observe dans les deux cas une « onde mécanique progressive à une dimension ». Définir les
termes soulignés. Pourquoi dit-on qu'il n'y a pas de transport de matière ?
Les schémas ci-dessous représentent la progression de la perturbation sur la corde et de la compression des
spires sur le ressort au cours du mouvement.
b) Indiquer la direction de propagation de l’onde ainsi que la
direction de la déformation.
c) Ces ondes sont-elles longitudinales ou transversales ?
d) Légender les schémas avec les termes suivants : « date t1 »,
« date t2 », « perturbation », « sens de propagation », « distance
parcourue par la perturbation entre les dates t1 et t2 ».
2) Étude quantitative : détermination de la célérité des ondes
La célérité d’une onde est la valeur de la vitesse de propagation de la perturbation. S’agissant d’un transport
d’énergie sans transport de matière, on préfère utiliser le terme « célérité » plutôt que « vitesse ».
Expliquer comment déterminer la célérité des deux ondes à partir des schémas. Donner l’expression littérale
permettant de calculer la célérité d’une onde ; nommer les grandeurs physiques et donner leurs unités SI.
Une onde est dite longitudinale
(resp. transversale) si la direction
de la déformation du milieu est
colinéaire (resp. orthogonale) à
la direction de propagation de la
perturbation.

II- Autre méthode permettant de déterminer la célérité d’une onde sonore dans l’air
1) Principe
Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores inaudibles (car « très aigües »).
L’émetteur d’onde ultrasonore est constitué d’un cristal piézo-électrique qui se met à vibrer lorsqu’il est soumis
à une tension : il transforme un signal électrique en une onde ultrasonore qui provoque la vibration de l’air. Le
récepteur est également constitué d’un cristal piézo-électrique fonctionnant à l’inverse de l’émetteur.
Ici, on alimente l’émetteur d’onde ultrasonore avec un générateur de tension continue. On se place en mode «
continu » : l’émetteur génère un signal sonore sous forme sinusoïdale.
Le dispositif est le suivant.
2) Mesure de la période temporelle T
a) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer la période
temporelle T des ondes ultrasonores utilisées.
b) Vérifier que les ondes émises sont bien des ondes ultrasonores.
Donnée :

3) Mesure de la longueur d'onde λ
a) Définir la longueur d'onde.
b) Voici une vue de coupe de la houle au large de Cayenne. Déterminer la longueur d'onde.
c) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer de manière
précise la longueur d'onde λ des ondes ultrasonores utilisées.
III- Célérité des ondes ultrasonores, v :
1) Rappeler la relation entre célérité, fréquence et longueur d'onde. Indiquer les unités des
différentes grandeurs.
2) Calculer la valeur de la célérité v des ondes ultrasonores en m.s-1
3) Selon « le modèle du gaz parfait » la célérité des ondes ultrasonores dans l'air est donnée par
la relation :
vref =
√
γR T
M
avec γ=1,4, R=8,31SI, T en K : T(K)=t°(C)+273 ; M=28,8x10-3 kg.mol-1
4) Pour pouvoir comparer la valeur théorique déterminée à l'aide de la théorie des gaz parfaits et la
valeur expérimentale, il est indispensable de déterminer les incertitudes :
Voici la formule
(
Δv
v
)
2
=
(
Δλ
λ
)
2
+
(
ΔT
T
)
2
sachant que Δv, Δλ, ΔT les incertitudes absolues des valeurs v, λ, T.
L'incertitude sur la valeur de la période est de 5%.
L'incertitude sur la distance est à déterminer.
Déterminer l'incertitude absolue
Δv
et déterminer la vitesse sous la forme : v ± Δv
3) Application à l’écho-détection/location
Certains animaux (dont les chauves-souris) émettent des salves
d’ondes ultrasonores afin de localiser proies ou obstacles en
analysant la durée entre l’émission et la réception de ces salves
après réflexion.
Sur le même principe, dans le bâtiment, on utilise couramment des
télémètres pour arpenter.
Proposer un schéma permettant de déterminer la distance d à un
obstacle au laboratoire.
Déterminer la relation entre la distance objet – chauve souris , vitesse de l'onde, temps.
→ Peut-on également se faire une idée sur la nature de l’objet ?
→ Sur le même principe, peut-on utiliser un laser plutôt que des ondes ultrasonores ? Expliquer.

CH 1 - TP 1 Détection d'ondes ultrasonores PROF
Travail anticipé : I-1 et 2 ; II- 3)a III-1 ;
I- Mise en évidence d’une onde progressive
Une onde est la propagation d’une perturbation sans transport de matière. On distingue notamment les ondes
mécaniques (comme le son) des ondes électromagnétiques (comme la lumière).
Dans un premier temps, nous nous limiterons à l’étude des ondes mécaniques.
1) Deux types d'onde
On s’intéresse ici au déplacement
–d’une impulsion verticale se déplaçant le long d’une corde horizontale
–d’une compression de quelques spires d’un ressort se déplaçant le long du ressort
Questions :
a) On observe dans les deux cas une « onde mécanique progressive à une dimension ». Définir les
termes soulignés. Pourquoi dit-on qu'il n'y a pas de transport de matière ?
Mécanique : qui à besoin d'un milieu matériel pour se propager
Progressive : qui se propage de proche en proche
une dimension : la déformation se déplace suivant une seule direction
Une onde est la propagation d'une déformation. Cette déformation est locale et réversible : c'est à dire qu'elle
passe sans transport global de matière. Elle transporte seulement de l'énergie.
Les schémas ci-dessous représentent la progression de la perturbation sur la corde et de la compression des
spires sur le ressort au cours du mouvement.
b) Indiquer la direction de propagation de l’onde ainsi que la
direction de la déformation.
c) Ces ondes sont-elles longitudinales ou transversales ?
Corde : L'onde est transversale car la déformation est perpendiculaire à la
direction de propagation.
Ressort : L'onde est longitudinale car la déformation est colinéaire à la
direction de propagation.
d) Légender les schémas avec les termes suivants : « date t1 »,
« date t2 », « perturbation », « sens de propagation », « distance
parcourue par la perturbation entre les dates t1 et t2 ».
2) Étude quantitative : détermination de la célérité des ondes
La célérité d’une onde est la valeur de la vitesse de propagation de la perturbation. S’agissant d’un transport
d’énergie sans transport de matière, on préfère utiliser le terme « célérité » plutôt que « vitesse ».
Expliquer comment déterminer la célérité des deux ondes à partir des schémas. Donner l’expression littérale
permettant de calculer la célérité d’une onde ; nommer les grandeurs physiques et donner leurs unités SI.
Connaissant la distance d parcourue par l'onde en une durée (ou retard) Δt = t2 – t1, il est possible de
Une onde est dite longitudinale
(resp. transversale) si la direction
de la déformation du milieu est
colinéaire (resp. orthogonale) à
la direction de propagation de la
perturbation.

déterminer la célérité de l'onde. La formule littérale
est :v=d
Δt
avec dans le système international :
–d en mètre
–Δt et seconde
–v en m.s-1
II- Autre méthode permettant de déterminer la célérité d’une onde sonore dans l’air
1) Principe
Les ondes ultrasonores sont des ondes sonores inaudibles (car « très aigües »).
L’émetteur d’onde ultrasonore est constitué d’un cristal piézo-électrique qui se met à vibrer lorsqu’il est soumis
à une tension : il transforme un signal électrique en une onde ultrasonore qui provoque la vibration de l’air. Le
récepteur est également constitué d’un cristal piézo-électrique fonctionnant à l’inverse de l’émetteur.
Ici, on alimente l’émetteur d’onde ultrasonore avec un générateur de tension continue. On se place en mode «
continu » : l’émetteur génère un signal sonore sous forme sinusoïdale.
Le dispositif est le suivant.
2) Mesure de la période temporelle T
a) A l'aide du matériel mis à disposition, élaborer un protocole permettant de déterminer la période
temporelle T des ondes ultrasonores utilisées.
Alimenter l'émetteur d'ultrason.
Visualiser le signal reçu par le récepteur à l'aide de l'oscilloscope.
Une fois le signal obtenu, déterminer la période, 2 possibilités :
–l'oscilloscope détermine directement la période
–grâce au curseur, il est possible de déterminer la période (Temps entre 2 points qui
vibrent en phase)
b) Vérifier que les ondes émises sont bien des ondes ultrasonores.
Donnée :