But de la manipulation

PSB2 (Banque 2006)
Sujet : Modes de vibration d’une colonne d’air
Étude à l’aide d’un oscilloscope
Fiche n° 2 : LISTE DE MATÉRIEL DESTINÉE AUX PROFESSEURS ET AU
PERSONNEL DE LABORATOIRE
Pour chaque poste
La liste du matériel dépend du matériel disponible dans l’établissement. Le circuit du micro à électret doit
être déjà câblé. Les composants nécessaires à ce câblage figurent dans la liste ci-dessous et le montage est
schématisé.
 un microphone à électret (voir montage page suivante)
 un générateur de tension pouvant délivrer une tension constante de 9 V
 un condensateur de capacité 100 nF
 un conducteur ohmique de résistance 4,7 k
 deux tuyaux en PVC ou en carton (tuyau pour affiche ou poster) de même nature mais de longueurs
différentes : LA = 60 cm (tube A) et LB = 1 m (tube B). Les longueurs sont indiquées sur chaque tuyau.
D’autres matériaux sont possibles, il suffit que le diamètre soit nettement supérieur à celui du micro
(mais petit devant la longueur du tube). Les tuyaux doivent être clairement identifiés par une lettre
 un petit haut-parleur adapté au diamètre des tuyaux
 un dispositif de fixation du haut-parleur et des tuyaux
 un GBF avec affichage de la fréquence (ou fréquencemètre associé)
 un oscilloscope bicourbe
 des fils de connexion
 des adaptateurs BNC-bananes déjà fixés sur l’oscilloscope et le GBF
 un feutre pour surface lisse effaçable
 un mètre ruban
Prévoir sur la paillasse une fiche destinée au candidat indiquant le schéma simplifié du
montage avec les branchements vers les voies de l’oscilloscope (cf « schéma du montage » page
suivante).
Rappel : le montage du micro à électret doit être réalisé à l’avance.
Pour une salle, prévoir un poste de remplacement.
Ce sujet a été testé avec les valeurs indiquées dans cette liste de matériel. Vous pouvez adapter les valeurs
des composants (ou le matériel) en fonction de l’équipement de votre laboratoire.
Les versions .rtf et .doc des fiches n° 2 et n° 3 jointes à la version .pdf vous permettent d’adapter le sujet à
votre matériel.
Cette adaptation ne doit entraîner EN AUCUN CAS de modifications :
- de la répartition des points entre les fiches n° 4 et n° 7 ;
- de la répartition des () par rubrique de la fiche n° 4 (par appel, par matériel, pour une observation en
continu) ;
- des questions de la fiche n° 7.

Montage du microphone à électret (réalisé à partir d’une « capsule microphone à électret ») :
patte ou ergot en contact avec l'enveloppe extérieure de la capsule
fil électrique fin
fiche banane
tuyau en verre ou en PVC dont le diamètre est adapté à celui de la
capsule du micro et suffisamment long pour que l'ensemble soit
manipulé aisément dans les tuyaux en carton, en PVC ou en verre
capsule du micro à électret
patte ou ergot en contact avec l'enveloppe extérieure de la capsule
R
G
C
+
masse de l'oscilloscope
voie 2 de l'oscilloscope
Le générateur délivre une tension constante de 9 V
Prendre : R = 4,7 k et C = 100 nF
Schéma du montage :
R
G
C
+
masse de l'oscilloscope
voie 2 de l'oscilloscope
GBF
tuyau en carton, en PVC ou en verre ....
haut-parleur
micro à électret
voie 1 de l'oscilloscope
masse de l'oscilloscope
Partie du montage déjà
réalisée

PSB2 (Banque 2006)
Sujet : Modes de vibration d’une colonne d’air
Étude à l’aide d’un oscilloscope
Fiche n° 3 : ÉNONCÉ DESTINÉ AU CANDIDAT
Ce sujet est accompagné de deux feuilles individuelles de réponses sur lesquelles vous devez
consigner vos résultats.
But de la manipulation :
Mettre en évidence les modes propres de vibration d’une colonne d’air dans un tuyau.
Déterminer la célérité du son dans l’air à la température ambiante.
Tester l’influence de la longueur de la colonne d’air sur la fréquence de son mode fondamental de vibration.
Données :
On admettra que dans le dispositif de tuyau sonore utilisé ici, la fréquence des modes propres d’une colonne
d’air de longueur L est f =
2L
n.v
où v est la célérité des ondes sonores dans l’air et n est un entier
positif (n = 1 pour le mode fondamental). D’autre part : 2L = n. et =
f
v
.
haut-parleur micro à électret
L
Quand le microphone à électret détecte une tension d’amplitude maximale, cela correspond à un
ventre de pression.
Lorsqu’un système d’onde stationnaire est établi dans le tuyau, deux nœuds de pression
consécutifs ou deux ventres de pression consécutifs sont séparés par une distance valant
2
.
Travail à effectuer :
1. Détermination des modes propres de vibration d’une colonne d’air
On utilise dans cette partie le tube A.
1.1 Effectuer les branchements nécessaires pour visualiser en voie 1 de l’oscilloscope la tension de sortie du
GBF. Régler le GBF de manière à ce que sa tension de sortie soit une tension sinusoïdale de fréquence
250 Hz et d’amplitude égale à 1,0 V. On devra observer sur l’écran un peu plus de deux périodes de la
tension de sortie.
1.2 Disposer le haut-parleur à environ 1 cm d’une extrémité du tuyau A de longueur LA.
1.3 Alimenter le haut-parleur à l’aide du GBF.
1.4 Effectuer les branchements nécessaires pour visualiser en voie 2 de l’oscilloscope la tension aux bornes
du microphone à électret. Le placer à l’intérieur du tuyau, au voisinage de son milieu.

1.5 Régler l’oscilloscope de façon à visualiser au mieux les deux tensions précédentes.
Appeler le professeur pour valider le montage et vérifier les réglages (appel 1)
1.6 Le microphone à électret étant toujours placé à l’intérieur du tuyau et au voisinage de son milieu,
augmenter progressivement la fréquence du GBF à partir de 250 Hz. Rechercher les valeurs des quatre
premières fréquences favorisées (amplitude maximale) par le tuyau sonore, c’est à dire les fréquences des
quatre premiers modes propres de vibration de la colonne d’air. Ne pas hésiter à changer la sensibilité de la
voie 2 au cours de la manipulation. Ajuster éventuellement la position du microphone à électret. Répondre à
la question 1.6 de la feuille de réponses.
1.7 Régler le GBF à la fréquence du fondamental f1. Déplacer le microphone à électret à l’intérieur du tuyau,
depuis l’orifice libre du tuyau vers l’orifice situé près du haut-parleur. Observer simultanément à
l’oscilloscope l’évolution de la tension détectée par le microphone à électret. Répondre à la question 1.7 de la
feuille de réponses.
1.8 Répondre aux questions 1.8 et 1.9 de la feuille de réponses.
2. Influence de la longueur de la colonne d’air sur la fréquence du mode fondamental
2.1 Répondre aux questions 2.1.a. et 2.1.b. de la feuille de réponses.
2.2 Répondre à la question 2.2 de la feuille de réponses.
Appeler le professeur pour valider le protocole proposé (appel 2)
2.3 Réaliser le protocole et répondre aux questions 2.3 et 2.4 de la feuille de réponses.
Défaire les fils de connexion du générateur et du micro à l’oscilloscope et remettre le premier
tuyau utilisé ; ranger le matériel sur la paillasse.
Le candidat doit restituer ce document avant de sortir de la salle d'examen.