Activités caractéristiques des ondes

Caractéristiques des ondes
Milieu de
propagation
Air à température
ambiante Eau Acier
Célérité (m.s
-
1
)
340 1,5×10
3
5,6×10
3
à 5,9×10
3
Document 2 : Célérité de l’onde sonore dans différents milieux matériels
Activité : Coup de marteau
On tape un coup de marteau sur une canalisation d’eau, en fonte. L’eau est immobile dans la
canalisation. Un capteur, situé à une distance d du bloc, capte deux signaux séparés d’une durée τ
= 1,80 s.
Données : Célérité du son dans l’eau V
1
= 1,50 km.s
-1
; Célérité du son dans la fonte V
2
= 5,00
km.s
-1
1- Interpréter le phénomène.
2- Déterminer la valeur de la distance d.
Activité : Franchissement du mur du son
Quand un avion dépasse la vitesse du son dans l’air, il y a une
concentration de l'onde sonore au niveau de l’avion ce qui
provoque une surpression caractérisée une onde de choc.
Ainsi, on entend un bang caractéristique. Ce phénomène
accompagne l'objet tant qu'il dépasse la vitesse du son ; c'est
pourquoi le bang que l'on entend ne correspond pas au
franchissement du mur du son, contrairement à ce que l'on croit
souvent.
En vitesse de croisière, un avion comme le concorde volait à
Mach 2,2 (cela signifie qu’il volait à une vitesse 2,2 fois la
célérité du son)
Données : Célérité du son : 340 m.s
-1
.
1- Déterminer la vitesse du concorde en m.s
-1
et km.h
-1
.
2- Pourquoi ne donne-t-on pas la vitesse d’un satellite en nombre de mach.
Activité : Clap sonore
On réalise l’expérience suivante: deux
microphones M
1
et M
2
alignés et distants de
1 mètre sont reliés aux deux voies 1 et 2
d’un oscilloscope à mémoire. Entre ces deux
microphones on produit un clap sonore en
percutant deux plaquettes.
Le clap sonore est produit à 20 cm du
microphone M
1
. Les oscillogrammes obtenus
sont représentés ci-dessous (CH
1
en haut et
CH
2
en bas). Oscillogramme 1
Oscillogramme 2
Document 1 : retard τ = t - t’
t'
t
M’
M’
M
Avion supersonique, le cône
est visible lorsque l’air est
humide.
2
ACTIVITÉS

1- Sachant que la célérité du son dans l’air est V = 340 m.s
-1
,
calculer le retard avec lequel le son arrive en M
2
.
En déduire la vitesse de balayage de l’oscilloscope
(oscillogramme 1).
2- On produit à présent un clap sonore entre les deux microphones sans repérer sa position. On
obtient l’oscillogramme 2 ci-dessus, la vitesse de balayage étant de 200 µs/div. Déterminer
l’endroit où le clap a été produit.
Activité : Onde mécanique se propageant sur une corde.
Une longue corde élastique est tendue à l’extrémité d’une lame vibrante.
1- L’extrémité de cette lame possède un mouvement vibratoire dont la direction est perpendiculaire
à la corde. L’équation du mouvement de cette extrémité en fonction du temps est :
y
s
(t) = 4,5×10
-3
sin (628.t).
a. Qualifier et caractériser le mouvement des ondes crées le long de la corde.
b. Que représente la valeur 4,5×10
-3
? Quelle est son unité ?
2- Calculer la période et la fréquence :
a. Du mouvement de l’extrémité S de la corde ;
b. Du mouvement du point M de la corde.
3- Exprimer y
s
(t) sous la forme d’un cosinus
4- Tracer y
s
(t)
Activité : déterminer le domaine des longueurs d’ondes audibles par l’oreille humaine, sachant que
leurs fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz
Données : célérité du son V = 340 m.s
-1
.
Période spatiale
y
x (m)
S M
t (s)
T
T
Elongation
transversale
de la source S
Elongation
transversale
d’un point
quelconque M
du milieu de
propagation
T
T
T
Période
temporelle
O
O
Document 3
: Mise en évidence de la période spatiale et de la
période temporelle le long d’une corde
t (s)

Document 5 : spectre en fréquences du la
3
joué à la guitare (a) et au piano (b)
Le tableau suivant donne quelques valeurs
indicatives :
Situation
Niveau sonore (dB
A
)
Chambre
Conversation
Moto à 1 m
Marteau piqueur à 1 m
Avion à 1 m
30
50 à 70
80 à 90
110
120 à 130
Activité : casser un verre
1- Pourquoi la pression de l’air change-t-elle au
passage d’une onde acoustique ?
2- La surpression maximale du fluide P
max
est reliée à l’intensité sonore I par la relation :
P
max
= I.Z.2
c
où Z
c
= 400 kg.m
-2
.s
-1
dans le cas de l’air.
a- Déterminer la surpression maximale P
max
pour un niveau sonore de 130 dB.
b- Comparer à la pression atmosphérique P
atm
= 1,013×10
5
Pa.
c- Quelle devrait être le niveau sonore pour atteindre la surpression entraînant la rupture du
verre, soit 3600 MPa ?
d- Un tel niveau sonore peut-il être atteint par une soprano ?
Activité : Bruit d’un fusil d’assaut
Le niveau sonore d’un fusil d’assaut est de 170 dB quand on est situé à 10cm de la source. Le
seuil de la douleur phonique est de 130dB.
Pourquoi les soldats doivent-ils se munir d’un casque antibruit lors de l’utilisation de ce fusil ?
L’intensité sonore décroît avec la distance d à laquelle on se trouve du fusil, selon la loi I = 2
d
A
, où
A est une constante.
1- Déterminer la valeur de A et ses unités.
Document 6 : Diagramme de Fletcher donnant
les courbes d’égale sensation auditive
f en Hz
Fréquence
fondamentale
f
1
= 440 Hz f
3
= 1320 Hz
f
4
= 1760 Hz
f
5
= 2200 Hz
a
b
Amplitude
f en Hz
Fréquence fondamentale
f
1
= 440 Hz
f
2
= 880 Hz
f
3
= 1320 Hz
f
4
= 1760 Hz
Fréquences harmoniques
f
5
= 2200 Hz
Amplitude
f
2
= 880 Hz
1
2
Document 4
: Enregistrement d’une note de piano. On y
distingue les phases d’attaque (1) et d’extinction (2).
Temps en s
Amplitude

2- À quelle distance minimale du fusil doit-on se placer pour être sous le seuil de douleur ?