Ondes ultrasonores
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TP1 - Signaux physiques PCSI-Lycée Brizeux Ondes ultrasonores Compte-rendu à rendre à la fin des 4h Se fixer des objectifs • Mesurer la vitesse de propagation des ultrasons dans l’air à la température de la salle. • Mesurer la longueur d’onde des ondes ultrasonores . • Réaliser un sonar • Évaluer une incertitude-type de type B. L'émetteur d'ultrasons La vibration des cordes vocales, ou celle de la membrane d'un haut-parleur, engendre des ondes sonores. L'oreille humaine perçoit les sons dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz environ. Les ultrasons sont des ondes sonores inaudibles pour l'oreille humaine ( ce qui n'est pas le cas de nombreux animaux , comme les chiens, certains rongeurs , les chauve-souris, ou encore les mammifères marins qui peuvent s'en servir pour communiquer ou se repérer). La fréquence des ultrasons est supérieure à 20000 Hz. Un émetteur d'ultrasons émet une onde ultrasonore dont la fréquence est égale à celle de la tension électrique appliquée à ses bornes. Un récepteur ultrasonore transforme l'onde ultrasonore, à l'endroit où il est situé, en une tension électrique qui reproduit fidèlement l'onde ultrasonore.L'émetteur à ultrasons peut émettre des salves d'ultrasons ou des ondes périodiques . Le matériel à disposition ➔ Un oscilloscope – des fils électriques ➔ Une valise contenant le matériel (ovio) spécifique à ultrason et sa notice ➔ Un écran ➔ Un banc d'optique ➔ Des cavaliers pour le banc d'optique Mesure de la célérité S'approprier le principe de mesure Pour cette manipulation, on utilise la fonction générateur de salves . Émetteur et récepteur sont placés en vis à vis sur un banc gradué.(figure ci-contre). Émetteur Figure 1 On mesure le retard du signal reçu par rapport au signal émis pour déterminer la célérité des ultrasons. L Récepteur Banc gradué Une mesure unique ne permet pas d'avoir un résultat fiable. Établir un protocole utilisant une régression linéaire et permettant de déterminer la célérité. ➔ Réaliser - Exploiter - Valider En vous référant aux notices fournies : ➔ Connecter l'émetteur d'ultrasons puis visualiser le signal à l'oscilloscope. ➔ Connecter le récepteur. ➔ Visualiser les 2 signaux. ➔ Mettre en œuvre le protocole établi puis utiliser le logiciel régressi ou Latis-pro pour exploiter les mesures. ➔ Comparer la valeur expérimentale à la vitesse du son dans l'air sec à 20°C : c=3,40.102m.s-1. 1 Mesure de la longueur d'onde S'approprier le principe de mesure de la longueur d'onde Pour les 2 protocoles suivants l'émetteur émet un signal carré de fréquence 40kHz Protocole 1 : Si l'on considère le montage de la figure 1, quel est le relation entre L et λ quand le signal émis et le signal reçu sont en phase ? Établir le protocole (1) permettant la détermination de λ à partir de deux positions successives du récepteur et minimisant l'incertitude de mesure. ➔ Protocole 2 : On considère le montage figure 2. Le récepteur se trouve sur le même support que l'émetteur. On utilise le déphasage entre le signal émis et le signal reçu. d Figure 2 Émetteur et récepteur à la même abscisse ➔ Banc gradué Ecran Quelle relation y a-t-il entre la longueur d'onde λ et d quand les 2 signaux émis et reçus sont en phase ? Établir un protocole (2) permettant la détermination de λ à partir de deux positions successives de l'écran et minimisant l'incertitude de mesure. ➔ ➔ Pourrait-on faire les 2 expériences précédentes avec un générateur de salve ? Réaliser - Exploiter - Valider ➔ Mettre en œuvre les deux protocoles établis. ➔ Déterminer λ1 et λ2 obtenus grâce aux deux mesurages. En vous référant à la fiche outil « Mesures et incertitudes » en déduire l' incertitude de mesure pour chaque valeur. de λ. Donner l'expression globale du résultat. Comparer les deux méthodes. ➔ Réalisation d'un sonar S'approprier le principe du sonar (schéma ci-contre) Un sonar est constitué d’un émetteur et d’un récepteur. Il permet de détecter un objet éloigné (navire, banc de poisson, fond de la mer …). Les ultrasons produits par l’émetteur viennent se réfléchir sur un obstacle qui renvoie le signal vers le récepteur. Déterminer la relation entre la distance d et le retard Δt entre le signal émis et le signal reçu ? ➔ Établir un protocole utilisant le principe du sonar pour déterminer la hauteur h de la paillasse sur laquelle vous travaillez. ➔ Réaliser - Exploiter - Valider ➔ Mettre en œuvre le protocole établi ➔ Déterminer h et Δh puis donner l'expression du résultat Annexe : utilisation de Latis-pro pour faire une régression linéaire • Ouvrir le programme Latis Pro. • Cliquer sur l'icône tableur • Dans paramètres, cliquer sur l'icône • Cliquer sur traitement → Modélisation→ affine. → Construire un tableau à 2 colonnes regroupant les valeurs de X et Y . et tracer Y en fonction de X . 2
