Chapitre 2 : Ondes mécaniques progressives périodiques
Ondes ultrasonores (Ministère)
On se propose de déterminer la vitesse de propagation d'une onde ultrasonore à l'aide d'un dispositif comportant :
* un émetteur d'ondes ultrasonores;
* deux microphones notés M1 et M2 (M1 est le plus proche de la source);
* un oscilloscope 2 voies (1 et 2) (calibres de déviation verticale et horizontale identiques pour les 2 voies, le 'OV' des 2 voies est décalé).
Q1
a) On règle l'émetteur d'ondes ultrasonores en fonction salve (l'émetteur envoie une salve d'ondes ultrasonores à intervalles de temps régulier) les deux microphones sont espacés d'une distance d=3,4cm. Dessiner le schéma de l'expérience.
b) Calculer le retard t à la perturbation entre l'onde reçue par les microphones 1 et 2.
c) En déduire que la vitesse 'c' de propagation des ondes ultrasonores dans l'air est c=340m.s-1. (5,0 E-05 = 5.10-5)
d) Déterminer la fréquence des ondes ultrasonores.
Q2
a) La vitesse du son dans l'air dans les mêmes conditions expérimentales est c' = 342 m.s-1. En prenant comme référence la célérité du son, calculer la différence relative de vitesse entre les ultrasons et les sons. Conclusion.
b) Quelle différence d'amplitude notez vous entre les 2 salves ? Pourquoi ?
c) De quel type d'onde s'agit-il ? On fournira 4 informations pour la définir.
Q3
a) Les ondes ultrasonores sont utilisées pour déterminer la distance d1 entre l'émetteur et un obstacle. Dessiner le schéma permettant de réaliser l'expérience.
b) La durée Dt entre l'émission et la réception de l'onde réfléchie sur l'obstacle est de 40ms. Calculer d1.
Q4
a) On règle maintenant l'émetteur en fonction 'continu' : les ondes ultrasonores sont envoyées sans interruption( leur fréquence a été calculée à la question Q1- d ) . On place les 2 microphones à la même distance de la source, puis on les éloigne progressivement l'un de l'autre( la séparation est déchirante). On obtient alors l'oscillogramme ci dessus. Comment les 2 ondes vibrent-elles l'une par rapport à l'autre?
b) Quelle est la distance minimale permettant
d'obtenir l'oscillogramme ci dessus ? Donner sa définition, et sa valeur
numérique.
c) Quelle distance minimale sépare 2 ondes qui vibrent en opposition de phase ? Si la tension fournie par le microphone 1 est :
exprimer alors la tension fournie par le microphone 2.
Q5
On
place devant l'emetteur d'ondes ultrasonores de fréquence 40 kHz un récepteur
pouvant se déplacer sur un rail circulaire placé à une distance de 10cm. On
déplace le récepteur d'un angle q
variant de 0 à 50° par rapport à l'axe de l'émetteur.
On mesure l'amplitude U de la tension fournie par le récepteur à l'aide d'un multimètre.Les résultats sont consignés dans le tableau ci dessous :
Expérience 1
|
q(°) |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
U(mV) |
0.9 |
0.85 |
0.7 |
0.55 |
0.40 |
0.22 |
On recommence l'expérience en plaçant contre l'émetteur une fente de largeur L=1cm. On obtient le tableau de mesure ci dessous.
Expérience 2
|
q(°) |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
|
U(mV) |
0.55 |
0.54 |
0.51 |
0.47 |
0.42 |
0.40 |
a) Sur le même graphique représenter U = f(q) pour les 2 expériences, pour un angle q variant de -50°à +50°.
b) Quel est le phénomène mis en évidence ? Quel est l'ordre de grandeur de l'ouverture permettant de le visualiser ?
c) Ce phénomène modifie t-il la vitesse de propagation ? La fréquence des ondes ultrasonores ? La longueur d'onde ?