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XXI es Olympiades de Physique France
Elèves porteurs du projet :
Amanda Anwaya, Audrey Himmer,
Jéromine Roberge
Professeur encadrant :
M. Michel
Lycée Douanier Rousseau (53)
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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.
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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 !
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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
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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.
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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…
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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
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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 » !
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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.
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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.
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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.
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–
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 !
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–
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.
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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
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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 ?
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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
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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.
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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.
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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= ( Ri) 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.
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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
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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  109
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
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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)
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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
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