I. Chap.17 PhysiqueLes ondes acoustiques  Spé

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^{Thème :}Ondes et signaux TP n°15

Physique Les ondes acoustiques 

Chap.17

Objectifs du TP : Etudier le son produit par un instrument de musique et exploiter l’expression du décalage Doppler en acoustique pour déterminer une vitesse. Illustrer l’atténuation d’un signal sonore.

I.

Analyse d’un son

 Le gaffophone est un instrument à corde, dont le principe est proche de celui d’une guitare. Une corde frottée, fait vibrer l’air. Le son produit est alors amplifié par la caisse de résonance et peut être analysé après acquisition.

 Comment vérifier que l’instrument est bien accordé ?

Document 1 : Les cordes de guitare

 Une guitare comporte six cordes de nature différente. Chaque corde émet une onde sonore dont la fréquence fondamentale f1 dépend de sa longueur L et de sa tension F. Plus la corde est tendue, plus le son émis est aigu.

 f1 : fréquence fondamentale (en Hz) ;

 L : longueur de la corde tendue (en m) ;

 F : Force de tension de la corde (en N) ;

 µ : masse linéique de la corde (en kg.m^-1).

Cord

e f1(en Hz) µ (en kg.m^-1)

Mi1 82,4 9,7  10^-3 La1 110,0 6,5  10^-3 Ré2 146,8 4,4  10^-3 Sol2 196,0 2,1  10^-3 Si2 246,9 1,0  10^-3 Mi3 329,6 7,9  10^-4

Document 2 : Signal périodique

 Une onde sonore est un signal périodique de fréquence fondamentale f1 qui peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux, ayant chacun une fréquence fn = nf1 avec n entier.

 Le spectre en fréquence (ou de Fourier) indique la présence :

 Du premier pic de fréquence fondamentale f1 ;

f1 = 1 2L×

√

^F^µ

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 Des autres pics de fréquence harmonique fn.

 Sous Regressi, l’icône puis permet la représentation du signal et de son spectre en fréquence.

Protocole expérimental (Réaliser)

 On souhaite analyser le son produit par un diapason et le comparer à celui émis par la corde d’une guitare.

 Sous Regressi, faire Fichier / Nouveau / Son afin d’enregistrer le son produit par le diapason (une seconde suffit).

 Sélectionner une zone du signal sinusoïdal (zoomer pour voir une sinusoïde) et faire Traiter (sans enregistrer le fichier) puis valider.

Exploitation (Analyser-Réaliser-Valider)

1) Visualiser le signal et en déterminer sa période temporelle T, pour ensuite calculer sa fréquence fondamentale f.

2) Cliquer sur l’icône Fourier et zoomer sur le spectre afin de vérifier la présence d’un seul pic de même fréquence.

3) Pourquoi peut-on dire que le diapason émet un son pur ?

4) Proposer une démarche expérimentale pour déterminer si la guitare est bien accordée.

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Faire vérifier la démarche par le professeur, puis la mettre en œuvre. Conclure.

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5) Quel réglage faut-il réaliser pour que la corde sonne correctement ? L’effectuer et conclure.

6) Pourquoi qualifie-t-on le son de la guitare de signal composé ?

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 À bord de leur « deudeuche », deux jeunes mariés traversent la ville en klaxonnant. Le son du klaxon a pour fréquence 508 Hz. Comment déterminer, par effet Doppler, la vitesse du véhicule en analysant le son reçu ?

 S’il n’y pas d’indication particulière, en ville, la vitesse est limitée à 50 km.h^-1 (Article R 413-3).

 La tolérance est de 5 km.h^-1 pour les vitesses inférieures à 100 km.h^-1 (Arrêté du 7 janvier 1991).

Document 4 : L’effet Doppler

 En 1842, le physicien autrichien Christian Doppler prédit le comportement des ondes sonores selon que leur source s’approche d’un observateur (le son reçu est plus aigu) ou s’éloigne (le son reçu est plus grave).

 Cet effet Doppler permet de déterminer la vitesse d’une source en mouvement (radars).

Il est utilisé en astronomie, en médecine...

 Dans le référentiel terrestre, la vitesse v de la source de l’onde de fréquence f se calcule par :

 Si la source s’approche de l’observateur :

 v = v_son×f_a−f

f_a ^{avec f}^a la fréquence du son reçu par l’observateur.

 Si la source s’éloigne de l’observateur :

 ^v^=v^son^× f−f_e

f_e ^{avec f}^e la fréquence du son reçu par l’observateur.

 En combinant les deux relations  et , on obtient la vitesse v :  ^v^=v^son^× f_a−f_e f_a+f_e

 Donnée : Célérité du son dans l’air vson = 340 m.s^-1

C. Doppler (1803 – 1853) Représentation de la situation et analyse

des sons reçus :

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Protocole expérimental (Réaliser)

 Sous Regressi, faire Fichier / Nouveau / Son afin de visualiser le signal sonore émis par le klaxon du véhicule (dans votre dossier classe).

 Sélectionner le signal, puis le traiter (voir doc.3).

 Faire les mesures nécessaires afin de compléter le tableau ci-dessous :

Fréquence des harmoniques f1 f2 f3 f4

Zone d’approche : fa (en Hz) Zone d’éloignement : fe (en Hz)

 Ouvrir un nouveau fichier Regressi, entrer les variables expérimentales fa et fe, ainsi que le paramètre expérimental vson avec sa valeur.

 Faire calculer la vitesse v du véhicule à partir de la relation  du doc.4.

Exploitation (Analyser-Valider)

1) Les mesures expérimentales sont-elles cohérentes avec la prédiction de Christian Doppler ? Justifier.

8) Démontrer l’expression  de la vitesse v du doc.4.

9) Calculer la vitesse moyenne v (en km.h^-1) du véhicule.

10) Compte tenu de la tolérance accordée aux automobilistes, expliquer si la folie s’est réellement emparée du conducteur. Dans l’affirmative, combien de points perd-il sur son permis de conduire ?

III. L’atténuation acoustique Document 5 : Niveau d’intensité sonore

 Le niveau sonore émis par les enceintes d’une salle de spectacle dépasse souvent le seuil de douleur estimé à 120 dB, ce qui peut engendrer des dommages irréversibles à l’oreille.

 Que peut-on faire pour atténuer le son ?

 Le niveau d’intensité sonore L correspond à la perception par l’oreille humaine de l’intensité I d’un son :

 L : Niveau d’intensité sonore (en dB) ;

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 R : Rayon de la sphère (en m).

Document 6 : Matériel pour étudier l’atténuation sonore

 L’atténuation sonore A (en dB) est égale à la différence entre le niveau d’intensité sonore en deux points : A = L1 - L2.

Investigation (Analyser-Réaliser-Communiquer)

1) À l’aide d’une série de mesures, individuelles ou collectives, déterminer comment varie le niveau d’intensité sonore en un point lorsque la distance entre ce point et la source sonore double.

11) Proposer un protocole expérimental pour optimiser la conception d’un mur antibruit.

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Faire vérifier le protocole par le professeur, puis le mettre en œuvre.

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12) Rédiger une synthèse indiquant comment lutter contre les nuisances sonores.