Comment mesurer la période et la longueur d'onde d'un ultrason sinusoïdal ?

COMMENT MESURER LA PERIODE ET LA LONGUEUR D’ONDE D’UN ULTRASON SINUSOÏDAL ?

PARTIE 1 : S’approprier et communiquer

L’émetteur et le récepteur ultrasonores sont réalisés à partir d’un cristal de quartz piézo-électrique dont le fonctionnement est réversible : quand il est soumis à une tension sinusoïdale il vibre à la fréquence de cette tension, produisant ainsi dans l’air environnant une onde progressive de pression. Symétriquement, quand il reçoit une onde de pression sinusoïdale, il produit une tension sinusoïdale de même fréquence, image de la vibration du cristal. Le principe est donc analogue à celui d’un micro et d’un haut-parleur, seul le domaine des fréquences change : 10 Hz à 20 KHz pour les ondes sonores, au-delà de 20 kHz pour les ultrasons.

La piézoélectricité (1880, Pierre et Paul-Jacques Curie) est la propriété que possèdent certains corps de se polariser électriquement sous l'action d'une force mécanique et, réciproquement, de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique.

Emetteur-Récepteur à ultrasons

Les ondes sonores et ultrasonores sont également dites acoustiques. Ce sont des ondes progressives périodiques sinusoïdales de compression et de dilatation des couches d’air.

En utilisant les documents et vos connaissances, rédiger un document scientifique (une page maximum) expliquant le plus complètement possible le fonctionnement des émetteurs et des récepteurs ultrasonores.

Les émetteurs ainsi que les récepteurs ultrasonores sont fabriqués à partir d’un cristal de quartz piézo-électrique réversible, qui se polarise électriquement sous l’action d’une force mécanique et qui se déforme avec l’application d’un champ électrique. Quand ce cristal est soumis à une tension sinusoïdale, sa fréquence devient similaire à la tension sinusoïdale ce qui provoque la production d’une onde progressive de pression dans l’air. Symétriquement, quand il reçoit une onde de pression sinusoïdale, il produit une tension sinusoïdale de même fréquence. Le principe est donc identique à celui d’un haut- parleur ou d’un micro, Le domaine des fréquences change, il est maintenant de 10 Hz à 20 kHz pour les ondes sonores , et pour les ondes sonores il va au-delà de 20 Hz.

PARTIE 2 : Valider et communiquer

Dans le domaine des ondes acoustiques, aucun phénomène n’est visualisable. Nous allons donc dans un premier temps travailler sur une onde sinusoïdale à la surface de l’eau.

Charger l’animation « cuves à ondes ».

Lorsque les flotteurs sont placés dans la cuve, on peut observer le graphe donnant l’évolution de leur altitude au cours du temps.

Lorsqu’on étudie des signaux sinusoïdaux, il est très fréquent que l’on s’intéresse à leur déphasage. En effet, deux signaux peuvent être dits « en phase » ou en « opposition de phase ». S’ils sont « en phase », leurs maximas qui ne sont pas forcément égaux sont par contre atteints en même temps. S’ils sont en « opposition de phase », le maximum d’un signal est atteint en même temps que le minimum de l’autre.

Déplacer les flotteurs et observer les graphes correspondants.

A quelle condition, les deux flotteurs vibrent-ils en « phase » ?

Les deux flotteurs vibrent en phase lorsqu’ils sont séparés par la période T (ou un multiple de T) de l’onde.

A quelle condition, les deux flotteurs vibrent-ils en « opposition de phase » ?

Les deux flotteurs vibrent en opposition de phase lorsqu’ils sont séparés par une autre valeur que T (ou un multiple de T).

PARTIE 3 : Analyser, réaliser, valider

1. Mesure de la période d’un ultrason sinusoïdal

Alimenter l’émetteur E à l’aide d’une source de tension continue de 15 V et le mettre en marche en mode continu.

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