Mesures de la vitesse du son

TP Mesures de la vitesse du son

But du TP.

Lors de cette séance de travaux pratiques, l’étudiant est amené à mesurer la vitesse de

propagation du son dans l’air et dans l’eau.

1 Introduction

Qu’est-ce qu’un son ?

Un son (ou une onde sonore) est une oscillation mécanique de pression qui se propage en

général longitudinalement. Lors de la propagation d’un son, le transfert d’énergie s’opère par

un petit déplacement alternatif de la matière constituant le milieu de propagation (les

molécules d’air par exemple) mais le milieu ne se déplace pas globalement. La production

d’un son résulte de vibrations d’oscillateurs de nature mécanique. On distingue trois types de

sources sonores qui diffèrent par leur sonogramme. Un sonogramme représente la variation

d’amplitude A de l’onde sonore (variation de pression acoustique dans le milieu de

propagation) en fonction du temps. On parlera de sources impulsionnelles (choc, détonation)

pour lesquelles l’onde produite est une impulsion (ou train d’onde) unique de courte durée

(sonogramme 1(a)), de sources aléatoires (bruit du vent, des vagues…) où l’onde produite est

la superposition d’un très grand nombre de sons divers (on parle alors de bruit : sonogramme

1(b)) et enfin de sources harmoniques entretenues (son produit par un instrument à corde a

vent…) où l’onde produite est périodique (sonogramme 1(c)) ou répétitive en fonction du

temps. La période T du signal produit par une source harmonique est reportée sur le

sonogramme 1(c).

(a)

(b)

(c)

Figure 1 : sonogrammes correspondant aux différentes sources sonores.

Pour mesurer la vitesse de propagation du son dans l’air, on utilisera la plus simple des

sources harmoniques entretenues qui délivre une amplitude sinusoïdale de période T. La

A

t

t

A

A

T t

mesure de la vitesse du son dans l’eau sera déterminée à partir d’une source impulsionnelle

répétitive.

Production et réception des sons ?

La source sonore est constituée d’un générateur de signaux électriques couplé à un

transducteur émetteur. Le générateur délivre en mode continu une tension sinusoïdale de

période T = 25 μs ou de fréquence f = 40 kHz (f = 1/T) et en mode pulsé un train d’ondes

répétitif de durée réglable. Le transducteur émetteur vibre (à la manière d’un haut parleur) à la

fréquence imposée par le générateur de signaux avec une amplitude de vibration

proportionnelle à la tension délivrée par le générateur de signaux. Le récepteur de sons est

constitué d’un transducteur récepteur couplé à un oscilloscope. Le transducteur récepteur

vibre (à la manière d’un microphone) à la fréquence de l’onde sonore qu’il reçoit et délivre

une tension proportionnelle à l’amplitude des vibrations reçues. L’oscilloscope permet de

visualiser la tension délivrée par le transducteur récepteur en fonction du temps. Le principe

d’émission/réception des sons est représenté sur la figure 2. La gamme de fréquence audible

est comprise entre 20 Hz (sons graves) et 20 kHz (sons aigus). Ici, on travaille à la fréquence

de 40 kHz qui correspond aux infrasons, heureusement inaudibles pour l’oreille humaine.

Figure 2 : principe d’émission/réception des sons.

2 Principe de mesure de la vitesse du son

Vitesse du son en mode continu

En mode continu, le transducteur émetteur produit une onde sonore sinusoïdale de fréquence f

et d’amplitude A. La position de l’émetteur est choisie comme origine des abscisses (figure 2).

Au niveau du transducteur émetteur, on a donc une variation d’amplitude A(x, t) qui dépend

de l’abscisse (x) et du temps (t) telle que :

A(0,t) = Asin(ωt) (1)

Générateur de

tension

continu pulsé

transducteur

émetteur

transducteur

récepteur

Oscilloscope

V

t

Voie 1 Voie 2

A

t

x

0 d

onde sonore

où ω est la pulsation du signal (ω = 2π /T où T est le période). On suppose que le

transducteur récepteur est à une distance d du transducteur émetteur (voir figure 2). Si on

néglige l’atténuation du son dans le milieu de propagation, le signal reçu au niveau du

transducteur

...