Chapitre 5: produire des sons communiquer


 

 

I) ondes électromagnétiques

1) les ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique est donc composée d’un champ électrique et magnétique qui vibrent avec la même fréquence.

Les ondes lumineuses font parties des ondes électromagnétiques et correspondent  à un domaine restreint de fréquences.

Les ondes électromagnétiques  se déplacent dans les milieux transparents et également à travers la plupart des matériaux (contrairement aux ondes lumineuses)

On différencie les différents types d’ondes électromagnétiques par leur fréquence de vibration (nu).

La longueur d'onde (ou périodicité spatiale) dans le vide   et la fréquence sont liées par la relation:

 

c : célérité (ou vitesse ) de la lumière dans le vide avec c = 3,00x108 m/s

2) les différents types d’ondes électromagnétiques

type d’onde

grandes ondes (GO)

ondes courtes

 

 

 

 

 

 

fréquence (Hz)

 

 

 

 

 

 

 

 

longueur d’onde dans le vide(m)

102 à 104

102 à 1

 

 

 

 

 

 

 

II) transmission d’une information par une onde électromagnétique

1) Schéma de principe

2) principe

Emission du signal

Un signal sonore est l’information à transmettre. Il peut s’agir par exemple d’une note émise par un diapason. cette note possède une fréquence f.  Ce signal est capté par un microphone qui le transforme en tension électrique. La tension électrique à une fréquence f identique à celle de la note.

Les ondes sonores occupent une bande de fréquence 20Hz < f < 20 kHz Ce signal ne peut être transporté à cause de sa trop faible fréquence. Il a besoin d’être transporté par un signal sinusoïdale de haute fréquence F appelé porteuse. Le traitement du signal à transmettre est appelé modulation du signal. Le signal produit est alors amplifié  puis envoyé dans une antenne émettrice.

L’antenne émettrice transforme le signal électrique de haute fréquence et une onde électromagnétique de fréquence identique.

 

Réception du signal

L’onde électromagnétique se déplace dans l’atmosphère puis est captée par une antenne réceptrice (celle du poste radio par exemple).

Le signal est traité et on récupère le signal électrique de fréquence f correspondant au signal sonore initiale. Cette opération est appelée démodulation.

Le signal électrique est alors amplifié puis envoyé dans un haut parleur. Le haut parleur transforme le signal électrique en un signal sonore identique à celle du signal initiale à transmettre.

 

III) modulation d’amplitude

1) Schéma

2) principe

 

Rappel sur les caractéristiques d’une tension sinusoïdale.animation Flash de F.Passebon

La modulation d’amplitude permet la transmission de signaux de faibles fréquences par ondes électromagnétiques. Le signal à transmettre (musiques...) est transformé en tension électrique u(t) par le microphone. On ajoute à cette tension une tension continue de valeur Uo. cette tension est appelé tension modulante :

. 

Um : amplitude de la composante sinusoïdale du signal modulant

f: fréquence du signal sonore

Uo : tension continue

 

On multiplie cette tension par une tension de haute fréquence appelée la porteuse.

Up : amplitude de la porteuse

f: fréquence de la porteuse (de l’ordre de la centaine de kilohertz)

 

La tension produite est appelée tension modulée s(t).

s(t) = u(modulant)(t) + u(porteuse)(t)

 

3) la tension modulée s(t)

Rappel : cos (a).cos(b) = cos (a+b).cos(a-b)

 

La tension modulée s(t) est une tension composée de 3 tensions sinusoïdales périodiques de fréquence et d’amplitude :

fP , Uo.UP

fP+fm, Um.UP

fp-fm, Um.UP

Par conséquent c’est une tension périodique d’après le principe de Fourier.

 

4) le taux de modulation ‘m’

s(t) peut se mettre sous la forme :

Pour effectuer une modulation correcte il faut que l’enveloppe de la tension modulée s(t) corresponde à la tension modulante.

Cette condition est obtenue pour un taux de modulation m < 1 :

5) allure des tensions

IV) démodulation d’amplitude

1) schéma de montage

 

2) principe

La tension modulée s(t) doit être démodulée quand elle arrive dans un poste radio. Cela consiste à récupérer son enveloppe . L’enveloppe de la tension modulée correspond au signal à transmettre (musique, speaker etc..)

Le module 2 est constitué d’une diode et d’un circuit parallèle constitué d’un condensateur et d’un conducteur ohmique de résistance R.

La diode permet de supprimer la partie de la tension s(t) négative. En effet elle ne laisse passer que le courant qui circule de B vers M. Elle est bloquante dans le sens inverse. Le circuit RC permet de sélectionner que l’enveloppe du signal s1(t)  . Pour que la tension s2(t) soit identique à celle de l’enveloppe il faut que la condition suivante soit respectée :

La constante de temps du dipôle RC doit être très supérieure à la période TP de la porteuse s(t).

Le module 3 constitué d’un condensateur permet de supprimer la composante continue du signal s2(t).

La tension s3(t) correspondant au signal initial à transmettre est ensuite envoyée dans un amplificateur branchée sur un Haut parleur qui transforme la tension électrique en onde sonore de même fréquence.

 

3) Allure des tensions

V) Réception d’une émission radio

Problématique. Une antenne réceptrice capte de nombreuses émission radio. Il faut filtrer tous les signaux reçus et sélectionner la porteuse correspondant à l’émetteur recherché. Cette opération est effectuer en utilisant un filtre passe bande.

1) un filtre passe bande : dipôle LC parallèle

schéma :

 on applique une tension sinusoïdale  u(t) aux bornes d’un circuit LC parallèle. L’intensité i(t) qui traverse le dipôle est sinusoïdale de même fréquence que la tension u(t).Pour une fréquence fo particulière de la tension u(t) la valeur de l’amplitude Im de l’intensité est minimale . La valeur de fO est :

On dit que le circuit LC est un circuit bouchon pour l’intensité.

Pour f = fo , Im = Im(min)

 

On  applique maintenant un courant d’intensité i(t) sinusoïdale de fréquence variable. La tension u(t) aux bornes du dipôle est de même fréquence f que l’intensité du courant i(t). On constate que la valeur de l’amplitude Um de la tension u(t) est maximale pour la fréquence fo.

On dit que le circuit LC est un filtre passe bande pour la tension u(t).

Pour f = fo , Um = Um(max)

 

A chaque fréquence f correspond une amplitude de tension Um

La bande de fréquence pour laquelle la condition suivante est vérifiée est appelée bande passante du circuit LC

 

2) récepteur radio en modulation d’amplitude

Un recepteur radio en modulation d’amplitude reçoit, par l’intermédiaire de son antenne réceptrice, toutes les ondes électromagnétiques envoyées par les stations radio. Celles ci émettent sur la bande de fréquences appelé grandes ondes (GO)

exemple : station radio france inter fréquence de la porteuse f = 162 kHz

L’antenne receptrice est relié à une dipôle LC qui joue son rôle de filtre passe bande.  Ce montage est applelée circuit d’accord ou passe bande.

Le filtre passe bande doit être réglé sur une fréquence fo correspondant à la station à écouter.  Pour cela il suffit de régler la valeur de L ou C

 

exemple : pour écouter France inter il faut que fo = f(france inter) = 162 kHz.  Si la capacité C  = 1 nF la valeur de l’inductance  L de la bobine doit être réglée à la valeur suivante pour écouter France Inter:

Remarque :  La fréquence du signal modulant correspondant à la voix ou au musique à transmettre est comprise entre fmin>20 Hz et fmax < 20 kHz (domaine de fréquence correspondant à la perception de l’appareil auditif humain)

La fréquence de la porteuse de la station radio est notée fP. Le signal modulée possède une  fréquence comprise entre :

fP –fmax et fp+ fmax

Par conséquent la bande passante du filtre doit laisse passer les fréquences f comprises entre :

fP –fmax < f < fp+ fmax

 

exemple :  pour écouter France Inter la bande passante du circuit sélectif doit laisser passer les fréquences f de signal modulée correspondant aux valeurs suivantes :

fP –fmax < f < fp+ fmax

162x103 -20x103 < f < 162x103 + 20x103

142x103 Hz  < f < 182x103 Hz

 

Si la bande passante est trop importante on va capter simultanément 2 radios, le son sera de mauvaise qualité.

 

3) restitution du signal sonore

Schéma de principe

 

 

Le signal modulé obtenu en sortie du circuit d’accord (ou circuit sélectif).est amplifié.

Il est envoyé ensuite dans un circuit de démodulation vue précédement.

Le signal démodulé est à son tour amplifié puis envoyé dans un haut parleur qui transforme la tension électrique en signal sonore.

 

Programme officiel
1- Les ondes électromagnétiques, support de choix pour transmettre des informations
- Savoir que la lumière fait partie des ondes électromagnétiques et correspond à un domaine restreint de fréquences.
- Savoir que pour une antenne émettrice, l'onde électromagnétique émise a la même fréquence que celle du signal électrique qui lui est transmis.
- Savoir que dans une antenne réceptrice, l'onde électromagnétique engendre un signal électrique de même fréquence.
- Reconnaître les différents paramètres de l'expression d'une tension sinusoïdale: amplitude, fréquence et/ou phase.
- Savoir observer, avec un oscilloscope, le signal d'un fil conducteur connecté à une des entrées.
- Savoir transmettre un signal de fréquence sonore par un faisceau lumineux

2. Modulation d'amplitude
- Savoir que réaliser une modulation d'amplitude c'est rendre l'amplitude du signal modulé fonction affine de la tension modulante.
- Connaître les conditions à remplir pour éviter la surmodulation.
- Dans le cas d'une tension modulante sinusoïdale de fréquence fS , savoir que la tension modulée est la somme de trois tensions sinusoïdales de fréquences fP – fS; fP ; fP+fS , fP étant la fréquence du signal qui a été modulé.
- Réaliser un montage de modulation d'amplitude à partir d'un schéma. Choisir des tensions permettant une modulation de bonne qualité ; savoir visualiser les tensions pertinentes.
- Connaissant la fonction de l'ensemble diode-RC parallèle et du dipôle RC série, savoir les placer correctement dans un schéma de montage de démodulation.
- Savoir exploiter les oscillogrammes relatifs à une modulation et à une démodulation d'amplitude.
- Réaliser un montage de démodulation d'amplitude à partir d'un schéma. Choisir les composants permettant une démodulation de bonne qualité; savoir visualiser les tensions pertinentes.

3. Réalisation d'un dispositif permettant de recevoir une émission radio en modulation d'amplitude.
- Savoir que le dipôle LC parallèle, utilisé ici comme filtre passe bande pour la tension, est un circuit bouchon pour l'intensité.
- Expliquer l'utilité de ce dipôle pour la sélection d'une tension modulée.
- Réaliser un montage, à partir d'un schéma, associant les divers modules nécessaires à la réalisation d'un récepteur radio.