DM 1 Signaux physiques Pour le mercredi 21 septembre 2016
TSI 1 Lycée Louis Vincent Metz
Devoir à la Maison n°1
Lisez la fiche méthode DM avant de commencer ce devoir.
Toutes les réponses doivent être soigneusement justifiées.
A propos des ondes sonores
Les ondes sonores et ultrasonores sont très largement employées dans les systèmes de mesure. Nous nous proposons dans ce devoir d’étudier quelques propriétés et applications de ces ondes.
1. Questions préliminaires
1.1. A quelle famille de signaux appartient le son ? Par quelles grandeurs physiques est-il caractérisé ?
1.2. Donner l’intervalle des fréquences audibles pour un être humain.
1.3. L’onde ultrasonore est-elle une onde longitudinale ou transversale ?
1.4. La célérité du son dans un liquide est donnée par la relation cS = 1 /
( )
χ.ρ où cS est une vitesse, χ est le coefficient de compressibilité du liquide et ρ sa masse volumique.Déterminer la dimension de χ.
2. Le radar de recul
Un sonar est un dispositif émetteur – récepteur d'ondes ultrasonores qui permet de connaître la profondeur des fonds marins.
L'onde émise, une salve de sinusoïde de fréquence f = 20 kHz est envoyée par l'émetteur, réfléchie par le fond marin et renvoyée au récepteur.
2.1. Sachant que la longueur d'onde dans le milieu marin est λ = 7,5 cm, calculer la célérité du son cs dans l'eau.
Le capitaine Merrill Stubing reçoit sur l'écran du sonar l'oscillogramme suivant :
La voie 1 est branchée sur l'émetteur et la voie 2 et branchée sur le récepteur.
2.2. Expliquer le décalage entre les deux courbes.
2.3. Donner en expliquant rapidement, la relation entre D, cs et Δt, le décalage temporel entre les deux courbes.
2.4. Sachant que le calibre est 10 ms.div-1, calculer la profondeur D du fond marin.
E R
D
Pacific Princess
DM 1 Signaux physiques Pour le mercredi 21 septembre 2016
TSI 1 Lycée Louis Vincent Metz
3. Une propriété particulière des ondes sonores.
Une porte ouverte laisse passer à la fois le son et la lumière, mais ces deux types d’ondes ne se comportent pas de la même manière en la traversant.
Lors d’un concert,, un groupe d’amis, situé dans le hall et donc séparés de la scène par un mur très bien isolé phoniquement, est capable d’entendre de la musique alors qu’il ne peut pas percevoir directement la lumière provenant de la scène. La porte (représentée sur le schéma ci-dessus) est ouverte, sa largeur est d = 80cm.
Rappel : La célérité du son dans l’air est c = 340 m.s-1.
3.1. Quel phénomène physique permet d’expliquer l’observation faite par le groupe d’amis.
On rappelle que l’angle θ de demi-ouverture d’une onde diffractée est donné par la relation : sinθ = λ
d où λ est la longueur d’onde.
3.2. Le groupe d’amis entendra-t-il mieux les sons graves (f = 100 Hz) ou les sons très aigus (f=10 kHz) ?
4. Mise en pratique.
A la question : « Comment calculer la distance à laquelle se trouve un orage », on trouve facilement la réponse suivante : « Comptez le nombre de secondes entre le moment où vous voyez un éclair et le moment où vous entendez le tonnerre. Divisez le nombre obtenu par 3 et vous avez la distance en kilomètres. »
En utilisant vos connaissances sur les ondes, expliquer cette réponse de la manière la plus précise possible. (On s’aidera notamment d’un schéma de la situation et on précisera les hypothèses éventuellement utilisées)
