ondes et signaux	Chapitre 17 : caractéristiques des ondes sonores / effet doppler

Rappel

Onde mécanique progressive : clique sur l’animation onde longitudinale ou transversale.

A compléter avec les mots : perturbation, matériel, propagation, d’énergie.

Une onde mécanique progressive (vidéo) correspond au phénomène de _______________________d'une ____________________ dans un milieu ____________ , modifiant temporairement ses propriétés (vitesse, position, énergie). Après le passage de la perturbation le milieu reprend ses propriétés initiales. Il n'y a pas transports de matière mais transport________________ (vidéo).

Célérité d’une onde : clique sur l’animation : célérité d’une onde

A compléter avec les mots : m.s-1, durée, mètre par seconde, distance d, m, seconde, mètre, s,

La célérité v d'une onde progressive correspond à la vitesse de déplacement d'une perturbation dans le milieu de propagation. La célérité est égale au rapport de la______________________ parcourue sur la_____________ du parcourt:

v =

Unités légales: v en________________________ _______ (__________), d en___________ (____), en ________________ (____).

Onde progressive périodique : clique sur l’animation onde sinusoïdale périodique

1) A quoi correspond la période T(s) de l’onde ? Quelle est sa valeur ?

2) En déduire la fréquence f(Hz) du phénomène

3) A quoi correspond la variable y ?

4) Placer le point rouge sur la source, régler la distance minimale entre les 2 points rouges et bleu de manière à ce qu’ils vibrent en phase (ils atteignent leur maximum d’élongation en même temps). Noter la distance. Elle est appelée la longueur d’onde, elle est notée .Eloigner les 2 points d’une valeur égale à deux fois cette valeur. Que remarquez-vous ? Donner une propriété de la longueur d’onde .

5) La célérité v de l’onde est égale au rapport de la longueur d’onde sur la période temporelle T. Calculer cette célérité. Dépend-t-elle de l’amplitude ?

6) Donner votre définition d’une onde progressive périodique.

7) Exercice à la maison : effectuer l’activité correspondant à l’animation.

Période temporelle T et fréquence f :à compléter avec les mots : identique à elle-même, périodique, , seconde (s), Hertz (Hz), période temporelle, l’inverse.

Une onde progressive est____________________ lorsque la perturbation se reproduit ________ ___________________________________à intervalle de temps T égal. T est appelé la _________________________de l'onde progressive. L’unité de période temporelle est la ____________________________

La fréquence f de l'onde périodique est égale à_______________ de sa période temporelle T:

f =

Unité légale: le______________________

Périodicité spatiale : la longueur d'onde :

A compléter avec les mots : v/f, distance, /T phase , n., période temporelle T, v.T

La longueur d'onde notée est égale à la distance parcourue par l'onde en une _________________ _________________:

v = _________

= ______

=

v : célérité de l'onde (m.s-1); T :périodicité temporelle (s); longueur d'onde (m); f: fréquence de l'onde (Hz)

La longueur d’onde correspond à La plus petite__________________ séparant 2 positions pour lesquelles les élongations sont en ______________ (elles atteignent leur maximum et leur minimum d'élongation en même temps). Les positions éloignées de d = _________ (n: entier naturel) vibrent également en phase.

Nature d’un son :Clique sur l’animation production d’un son par un HP puis définir ce qu’est une onde sonore.

Clique sur l’animation : analyse d’un son.

- faire varier l’amplitude et la fréquence du son. Conclusion ?

A compléter avec les mots : 20 Hz, ultrasons, onde progressive périodique, infrasons, l’intensité sonore, 20000 Hz, faible.

Un son est une ________________________ ____________________.Un son audible par l'oreille humaine est compris entre ___________ et ________________environ. Au-delà il s'agit des _________________ (audibles par les chiens par exemple). En deçà il s'agit des ___________________ . Plus l'amplitude de la vibration mécanique est grande, plus ______________________________ est importante. Plus le son est grave plus la fréquence est _______________ .

Compléter le schéma ci-dessous avec le nom de chaque domaine des vibrations mécaniques :

Exercice : le son se propage dans l’air avec une célérité v = 3,4x102 m.s-1. On l’enregistre à l’aide d’un microphone et d’une carte d’acquisition, on obtient le graphe suivant :

Déterminer la période T, la fréquence f et la longueur d’onde du son .

Pour sa culture personnelle : clique sur l’animation sur les sons

I) Niveau d’intensité sonore L, intensité sonore I

I-1 intensité sonore I

L’intensité sonore I est égale au rapport de la puissance sonore P produite sur la surface S de réception du son :

unités : P en watt(W), S en m2, I en W.m-2

Le seuil d’audibilité d’une oreille humaine vaut Io = 1,0x10-12 W.m-2.

Exercice : une source sonore placée au point 0 émet un son de puissance P dans toutes les directions de l’espace. Soit un point M à la surface de la sphère de rayon R et de surface S = . Calculer la puissance P de la source sonore lorsque l’intensité sonore I = IO

I-2 la fonction logarithme décimal, notée log

propriétés de la fonction log
log(2x3) =	log(2)+log(3) =	log(a.b) =
log(23) =	3.log(2) =	log(ab) =
log(2/3)	log(2)-log(3) =	log(a/b) =
log (100) =	log(10x) =
Log (101) =
10log(3) =	10log(x) =

La fonction logarithme décimal (log) est la fonction inverse de la fonction 10n. Elle est utilisée lorsqu’on mesure des grandeurs de valeurs très différentes.

Ce qu’il faut retenir :

log(10x) =

10log(x) =

I-3 Le niveau d'intensité sonore L(dB)

Vidéo

Le niveau d'intensité sonore L, d'un son d'intensité sonore I, est donné par la formule :

L = 10.log (I/Io)

I : intensité sonore au point considéré

Io = 1,0x10-12W.m-2 , intensité sonore correspondant au seuil d’audibilité

Unité: le décibel (dB)

Le niveau sonore est mesuré par un sonomètre. Télécharger l’application physcope sur votre smartphone. Mesurer le niveau d’intensité sonore de votre voix.

Exercice :

1) Le seuil d'audibilité correspond à I = Io. Calculer le niveau d’intensité sonore L correspondant.

2) Le seuil de douleur correspond à une intensité sonore I = 25 W.m-2. Qu’elle est la valeur du niveau sonore d’intensité sonore L correspondant ?

3) Un son, de niveau sonore L = 90 dB peut être dangereux pour l’oreille humaine. Calculer l’intensité sonore I correspondante.

I-4 atténuation géométrique / atténuation par absorption

Atténuation géométrique : L’intensité sonore I est égale au rapport de la puissance sonore P produite sur la surface S de réception du son :

Plus on s’éloigne de la source sonore plus la surface de réception S est grande :et plus l’intensité sonore et le niveau sonore L est faible.

L’atténuation géométrique A entre un point A, de niveau sonore LA, et un point B ,plus éloigné de la source, de niveau sonore LB , vaut :

A = LA-LB

Exemple : Exprimer l’ intensité sonore I1 et le niveau d’intensité sonore L1 correspondant perçu à une distance r.de la source sonore. Même question à une distance r+h., l’intensité sonore sera notée I2 et le niveau sonore L2.

Effectuer le rapport I1/I2 et la différence L1-L2 lorsque r+h = 2r.

Atténuation par absorption : lorsque les ondes sonores rencontrent un obstacle, elles subissent un phénomène d’atténuation par absorption. Une partie seulement de l’onde sonore est transmise, le reste est réfléchie ou absorbé par l’obstacle.

L’atténuation A par absorption est égale à la différence entre le niveau sonore incident avant l’obstacle, Lincident et le niveau sonore transmis Ltransmis

A = _______________

Un bouchon d’oreille permet une atténuation par absorption A = 27 dB environ.

II) l’effet Doppler

III) L'effet Doppler

III-1 Qu'est-ce que l'effet Doppler?

Clique sur l'animation effet Doppler (université de Nantes) et régler les paramètres indiqués sur la figure ci-contre.

1) Quelles sont les sensations auditives que vous percevez lors de l'approche puis de l'éloignement d'une ambulance?

2) Comparer la période TE de l’onde émettrice à la période TR de l’onde reçue par le récepteur fixe lorsque la source s’approche puis s’éloigne.

3) Comparer les fréquences fE de la source émettrice et la fréquence fR de l’onde reçue par le récepteur lorsque la source s’approche puis s’éloigne.

4) Même question pour les longueurs d’onde de l’onde émettrice et la longueur d’onde de l’onde reçue.

A compléter avec les mots : grande , petite, Doppler, > , <

Lorsqu'elle s'approche du lieu de réception, une onde mécanique ou électromagnétique de fréquence émettrice fE est reçue avec :

- une fréquence fR plus ____________________ que fE et une longueur d’onde plus _________________ que :

Lorsqu'elle s'éloigne du lieu de réception :

fR __ fE

____ :

Cet effet est appelé l'effet ____________

II-2 Expression du décalage Doppler

Les formules suivantes ne sont pas à connaitre mais il faut savoir les démontrer !

Soit un émetteur produisant une onde fréquence fE se déplaçant à une vitesse v sur un axe. La célérité de l’onde sera notée v(onde). Un récepteur, fixe sur cet axe reçoit l’onde avec une fréquence fR.

- Lorsque l’émetteur se rapproche du récepteur, Le décalage Doppler en fréquence vaut :

- lorsque l’émetteur s’éloigne du récepteur, Le décalage Doppler en fréquence vaut :

Lorsque la vitesse de l’onde v(onde) est très supérieure à la vitesse v de déplacement de l’émetteur ces 2 expressions sont peu différentes de :

- en approche

- en éloignement

L'effet Doppler est utilisé, entre autres, dans les radars automatiques pour déterminer les vitesses des véhicules.

Exercice: une ambulance produit un son de fréquence fE = 1000 Hz. Elle est perçue par un observateur fixe avec une fréquence fR = 1097 Hz. La célérité de l’onde sonore vaut v(onde) = 340 m.s-1. Calculez la vitesse v de l’ambulance.

III-3 L'effet Doppler Fizeau en astronomie

Rappel: vidéo sur les spectres de raies d'absorption

Animation: spectres de raies d'absorption (Ostralo.net)

A partir des travaux de C Doppler, M Fizeau postule en 1848 que si une étoile ou une galaxie s'éloigne ou s'approche de la Terre on doit observer un décalage de ses raies d'absorption. La mesure de ce décalage permettrait de calculer la vitesse radiale de l'étoile (vitesse à laquelle l'astre s'approche ou s'éloigne de la Terre). Les calculateurs récents ont permis de vérifier son hypothèse.

A compléter avec les mots : diminuent, augmente.

Les longueurs d'onde correspondant aux raies noires du spectre d'absorption des éléments présents dans l'atmosphère de l'étoile:

- _________________si l'étoile se rapproche

- __________________si elle s'éloigne.

Exercice 1: Voici le spectre d'absorption de l'hydrogène si la source est fixe par rapport au récepteur, puis si la source est en mouvement. La source s'éloigne-t-elle ou se rapproche-t-elle de l'objet?

Programme officiel

Notions et contenus	Capacités exigibles Activités expérimentales support de la formation
1. Caractériser les phénomènes ondulatoires Cette partie s’inscrit dans la continuité de l’étude des signaux sonores effectuée en classe de seconde puis de celle des ondes mécaniques, en particulier périodiques, abordée en classe de première. Ces études ont permis d’une part d'illustrer la variété des domaines d’application et d’autre part de donner du sens aux grandeurs caractéristiques des ondes et à la double périodicité spatiale et temporelle dans le cas des ondes périodiques. Tout en continuant à exploiter la diversité des champs d’application (télécommunications, santé, astronomie, géophysique, biophysique, acoustique, lecture optique, interférométrie,
Intensité sonore, intensité sonore de référence, niveau d’intensité sonore. Atténuation (en dB).	Exploiter l'expression donnant le niveau d’intensité sonore d’un signal. Illustrer l'atténuation géométrique et l'atténuation par absorption. Capacité mathématique : Utiliser la fonction logarithme décimal et sa fonction réciproque.
Effet Doppler. Décalage Doppler.	Décrire et interpréter qualitativement les observations correspondant à une manifestation de l’effet Doppler. Établir l’expression du décalage Doppler dans le cas d’un observateur fixe, d’un émetteur mobile et dans une configuration à une dimension. Exploiter l’expression du décalage Doppler dans des situations variées utilisant des ondes acoustiques ou des ondes électromagnétiques. Exploiter l’expression du décalage Doppler en acoustique pour déterminer une vitesse.