Correction - TP - Term S - Ondes mécaniques progressives

I ) Objectifs :

* Utiliser un oscilloscope pour mesurer la période d'une onde.

* Mesurer le retard τ d'une onde

* Déterminer la célérité des ultrasons.

II ) Mesurer le retard τ  d'une onde :

1) Etude de l'onde ultrasonore

Brancher le générateur -15V, 0V, +15V sur l'émetteur U.S. puis relier le à la voie 1 de l'oscilloscope. 
Choisir le balayage de l'oscilloscope :  5 μs / div.

Mesurer à l'aide de l'oscilloscope la période de la source et en déduire sa fréquence.

Une période T correspond sur l'écran à une forme périodique qui se reproduit . 



Pour calculer sa valeur , indiquer le nombre de div :

Ns = 5 div et la valeur du balayage  ks = 5 μs/div

T = ks . Ns.= 5 x 5 = 25 μs  .   f = 1 / T = 1 / 25.10-6 = 40 000 Hz  

( kV = 5 V/div )

Si besoin, régler l'émetteur de façon à obtenir f = 40 000 Hz.

Relier un récepteur U.S. à la voie 2 de l'oscilloscope.


Mesurer la fréquence du son qui se propage (celle du signal du récepteur). f = 40 000 Hz.

(bouton de l'émetteur à fond à gauche)

Ces deux signaux ont même fréquence mais des formes différentes

L'onde ultrasonore est une onde mécanique progressive périodique longitudinale .

2) Mesure d'un retard τ  d'une onde :

On utilise un générateur de salves U.S.
Brancher le générateur 0-15 V sur celui-ci.

Relier le à l'oscilloscope (voie 1) avec un fil à 2 fiches BNC .


( kV = 5 V/div )    kS = 10 μs / div

 

 

 

   Visualiser le signal

Mesurer la période de l'onde.
T = NS x kS = 2,5 x 10 = 25 ms  ; f = 1 / T = 1/ 25.10-6

f = 40 000 Hz

Régler pour obtenir une fréquence de 40 000 Hz

 

 

 

 

 

 

Si on choisit d'autres valeurs de balayage , on observe les salves d'ultrasons:

kS = 20 μs/div

kS = 50 μs/div

kS = 2 ms/div

 

Relier un récepteur U.S. à la voie 2.

Visualiser les signaux d'émission et de réception

 

On veut mesurer le retard τ que met l'onde U.S. pour se propager d'un point à un autre, on va donc utiliser 2 récepteurs U.S. : Relier un 2ème  récepteur U.S. à la voie 1 de l'oscilloscope à la place de l'émetteur.

Positionner l'ensemble selon le schéma :

On peut obtenir l'écran suivant en choisissant des sensibilités kV différentes pour les 2 récepteurs sinon les signaux sont identiques

Reculer le 2ème récepteur d'une distance d à mesurer.

 

On obtient alors un écran où les 2 signaux sont décalés :

d = 30,4 cm,  décalage sur l'écran : NS=4,5 div,

pour kS = 0,2 ms/div

τ = NS . kS = 4,5 x 0,2 = 0,9 ms

vitesse v = d / t = 0,304 / 0,0009 = 338 m.s-1

d = 51,4 cm,  décalage sur l'écran : NS=3 div,

pour kS = 0,5 ms/div

τ = NS . kS = 3 x 0,5 = 1,5 ms

vitesse v = d / t = 0,514 / 0,0015 = 343 m.s-1

Ces valeurs de vitesse du son dans l'air sont proches de la valeur attendue de 340 m.s-1

III ) Mesure la longueur d'onde

On utilise un émetteur U.S.
Brancher le générateur -15 V, 0 V,+15 V sur celui-ci.

Relier le à l'oscilloscope (voie 1) 

Relier un récepteur US à la voie 2.

Visualiser les signaux .

 

 

 

 

Ces réglages ont été faits au II ) 1)  T = 25 μs et f = 40 000 Hz

ATTENTION, si le signal de réception n'est pas bien sinusoïdale, cela signifie que la fréquence de l'émetteur est mal réglée, il faut être précisément sur f = 40 000 Hz.

Positionner le récepteur pour avoir les signaux d'émission et de réception en phase (assez près de l'émetteur). Nommer les signaux émis et reçus.

Le signal émis est une onde mécanique périodique créneau.
Le signal reçu est une onde mécanique périodique sinusoïdale.
Reculer le récepteur. Que constate-t-on ?

Les 2 signaux ne sont plus en phase, ils s'écartent, puis sont en opposition de phase et au bout d'une certaine distance, ils sont de nouveau en phase.

Reproduire l'écran de l'oscilloscope :

Cette distance s'appelle longueur d'onde , on la note λ.

Reculer le récepteur de 10 fois cette distance et mesurer la distance d obtenue. d = 8,4 cm

Calculer la longueur d'onde λ . 

λ = d / 10 = 0,84 cm = 0,0084 m

 

 

 

Par analyse dimensionnelle, indiquer la dimension du rapport  λ / T.

[λ / T] = L.T-1 = [v] . λ / T a la dimension d'une vitesse.  v = λ / T

λ / T = λ.f = 0,0084 x 40 000 = 336 m.s-1

 

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