Ondes ultrasonores

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).
On mesure le retard du signal reçu par rapport au signal
émis pour déterminer la célérité des ultrasons.
➔ 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
Banc gradué
LRécepteur
Émetteur
Figure 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.
➔ 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 → Construire un tableau à 2 colonnes regroupant les valeurs de
X
et
Y
.
• Dans paramètres, cliquer sur l'icône et tracer
Y
en fonction de
X
.
• Cliquer sur traitement → Modélisation→ affine.
2
Banc gradué Ecran
Émetteur et récepteur
à la même abscisse
d
Figure 2