Chapitre 2 : Ondes progressives périodiques

Transcription

1 Chapitre 2 : Ondes progressives périodiques Définitions : Mouvement périodique :mouvement qui se répète à intervalles de temps égaux. Période : durée au bout de laquelle un phénomène se répète identique à lui-même. On la note T et elle s'exprime en secondes (s). Fréquence : nombre de phénomènes effectués par seconde. On la note généralement f, son unité est le hertz (Hz). La fréquence est l'inverse de la période: f = / T I- Caractéristiques des ondes Document : Onde progressive périodique L onde sonore reçue par un capteur (microphone) est convertie en une information électrique visualisée sur l oscillogramme. Cette information a les mêmes caractéristiques que l onde dont elle est issue. Sur cet exemple, elle se reproduit à intervalles de temps égaux. Une onde progressive est périodique lorsque la perturbation se reproduit identique à elle-même à intervalles de temps égaux, appelés période temporelle T. La fréquence f de l onde est le nombre de répétitions de la perturbation par seconde. Fréquence et période sont liées par la relation f = T période est en secondes (s). Document 2 :Onde progressive sinusoïdale où la fréquence est exprimée en hertz (Hz) si la Fonction sinusoïdale Quand la perturbation créée par la source est sinusoïdale, l'onde est qualifiée d'onde progressive sinusoïdale. Dans ce cas, la grandeur physique associée à l'onde en tout point varie également de manière sinusoïdale en fonction du temps. Document 3 : Double périodicité Lorsqu une onde périodique se propage, en certains point du milieu, les élongations sont en phase : les passages par l élongation maximale sont alors simultanés. Une onde progressive sinusoïdale possède une double périodicité : une période temporelle T, appelée couramment période, exprimée en secondes une période spatiale λ, appelée longueur d onde, exprimée en mètres La longueur d onde est la plus petite distance séparant deux positions pour lesquelles les élongations sont en phase. C est aussi la distance parcourue par l onde pendant la période temporelle T, λ = v T soit, en faisant intervenir la fréquence, λ= v f La position de 5 surfeurs est indiquée par les points A, B, C, D et E. Ce jour là, la météo donnent les informations suivantes : houle de 2 m, période de 0 s. Figure : z, déplacement vertical du surfeur A, en fonction du temps z en m t en s

2 On a représenté sur la figure le déplacement vertical du surfeur A en fonction du temps.. Indiquer, sur la figure, les informations données par la météo. Figure 2 : schéma en coupe de l'eau à différents instants z en m A C t 0 = 0 s B E D t = 2,5 s - t 4 = 5 s - t 3 = 7,5 s - t 4 = 0 s - On a représenté la position de chaque surfeur à t 0 =0 s sur la figure Indiquer la position du surfeur A, sur la figure 2, à t =2,5 s, t 2 =5 s, t 3 =7, 5 s, t 4 =0 s. 3. Même question pour les autres surfeurs. 4. En déduire le tracé de l onde à ces instants. 5. Comparer le mouvement des surfeurs A, B, C, D et E. Quels sont ceux qui vibrent en phase? 6. Indiquer la longueur d onde sur la figure A t 0, une ondulation passe par A. Indiquer la position de cette ondulation aux autres instants considérés. Où se trouve cette ondulation lorsque le surfeur A est revenu à la position qu'il avait à t 0 =0 s? 8. Calculer la célérité de l'onde.

3 Application du chapitre 2 Ondes à la surface d'une cuve à ondes Dans une cuve à ondes, une soufflerie crée à la surface de l eau des déformations périodiques de fréquence f. A l aide d un éclairage stroboscopique, il est possible de «figer» l évolution de l onde progressive périodique créée. a) Qu est-ce qu un stroboscope? Quel «défaut» de l œil exploite-t-il? b) Les deux points A et B représentés sur la figure vibrent-ils en phase? De quelle distance sont-ils séparés? (aucun calcul n'est attendu) c) En utilisant cette distance, déterminer la valeur de la longueur d onde λ, associée à son incertitude absolue λ. d) En déduire la valeur de la célérité v de l onde à la surface de l eau pour la figure et son incertitude v Données : l'incertitude associée à l'aide de la formule suivante : 2 ΔT 2 =( Δ λ λ ) 2 +( ( Δv v ) L'incertitude absolue sur la fréquence est de Hz. e) Déterminez v dans le cas des figures 2 et 3. Conclure sur les paramètres influençant la célérité des ondes à la surface de l eau. f) Imaginons qu'à la place de la figure 2 et 3, nous ayons fait une étude d'une onde circulaire vibrant à 30Hz. Pourquoi cette étude n aurait-elle pas été suffisante pour répondre à la question précédente? T )

4 II- Son musical En vous aidant du cours p.44-45, répondre aux questions suivantes : ) Qu'est ce qu'une onde acoustique? 2) Quel est le domaine des sons audibles pour l'être humain? 3) Pour analyser un son, on réalise son analyse spectrale. expliquer le principe de cette analyse. 4) Dans l'exemple suivant, le son S correspond à la somme des sons S, S 2 et S 3. Quelle est la fréquence de ce son? Que pouvez vous dire de la fréquence des harmoniques? 5) Parmi les deux signaux suivants, identifier et décrire le spectre du son pur et du son complexe : 2 6) Quelles sont les deux caractéristiques d'un son musical? Donner une définition. 7) Qu'est ce que l'intensité sonore (ou acoustique) et le niveau sonore? 8) Lorsque plusieurs instruments de musique jouent ensemble, lors d un concert par exemple, les intensités sonores dues à chaque instrument s ajoutent, mais pas les niveaux d intensité sonore. Montrer que si l'intensité sonore est multipliée par deux, alors le niveau sonore n'augmente que de 3 db.

5 Application du chapitre 2 (sujet de bac) On se propose dans cet exercice de travailler sur le détecteur sonore que constitue l oreille chez l être humain. L objectif étant de comprendre ses principales caractéristiques à travers des exemples simples..quelques caractéristiques du son L oreille sert à détecter les sons. Pour le musicien, le son possède 4 qualités ou paramètres que sont la hauteur, l intensité, le timbre et la durée. Dans toute la suite de l exercice, on ne s intéressera qu aux trois premiers paramètres à savoir la hauteur, l intensité et le timbre d un son... Donner la définition de la hauteur d un son. Le document qui suit présente l enregistrement, à l aide d un logiciel d acquisition adapté, du son produit par un haut-parleur alimenté par un générateur de fréquence..2. Déterminer la hauteur du son enregistré. On effectue un autre enregistrement du son émis par le haut-parleur en modifiant un réglage au niveau du générateur de fréquences :.3. Quelle modification a effectuée l expérimentateur pour obtenir ce nouvel enregistrement? Quel paramètre du son, parmi les trois proposés par l énoncé, a varié dans ce nouvel enregistrement? Justifier votre réponse.

6 Le document suivant présente l enregistrement du son produit par un synthétiseur et son analyse spectrale :.4. En utilisant cette analyse spectrale et en justifiant la démarche, montrer que la valeur de la hauteur du son émis lors de cet enregistrement est identique à celles des enregistrements et Quelle différence présente le son de l enregistrement 3 par rapport aux enregistrements et 2? Quel paramètre du son est ainsi mis en évidence? Justifier votre réponse. 2. Le détecteur oreille Intensité sonore et niveau sonore On s intéresse maintenant aux caractéristiques de l oreille quant-à ses capacités à discerner la hauteur de deux sons, ainsi que la différence de niveau sonore entre deux sons. On rappelle que l intensité d un son notée I est caractérisée par son niveau sonore noté L. la relation qui relie ces deux paramètres est la suivante : Où I 0 est une intensité de référence à savoir l intensité minimale que peut détecter une oreille humaine normale. On donne : I 0 =,0.0-2 W.m -2. Le niveau sonore I d un son est donc en quelque sorte une comparaison par rapport à la référence I 0. On considère un son dont le niveau sonore L = 50 db. 2.. Montrer en utilisant la définition du niveau sonore que l intensité I du son correspondant vaut I =,0.0-7 W.m -2. Rappel : si A = log B alors B = 0 A Superposition des sources sonores On dispose maintenant d une source sonore d intensité sonore I et de niveau sonore L. Si l on considère désormais la superposition de deux sources sonores identiques à la précédente, il en résulte une intensité sonore I 2 double de la précédente soit I 2 = 2 I. On note L 2 le niveau sonore résultant de la superposition de ces deux sources sonores identiques En utilisant la définition du niveau sonore, montrer que la relation entre les deux niveaux sonores L et L 2 est : L 2 = L + 3 db. Rappel : Log (A B) = Log A + Log B

7 CQFR du chapitre 2 ) Qu'est qu'une onde progressive périodique? 2) Qu'est ce qu'une période? Une fréquence? 3) Qu'est ce qu'une longueur d'onde? 4) Quelle est la relation entre longueur d'onde, célérité et période (ou fréquence)? 5) Quelles sont les deux grandeurs qui caractérisent un son (les définir)? 6) Comment calcule-t-on le niveau sonore d'un son à partir de son intensité sonore? 7) Connaître le principe de l'analyse spectrale (analyse de Fourier). Savoir lire un spectre 8) Savoir ce qu'est un son pure et un son complexe.

8 CQFR du chapitre 2 ) Qu'est qu'une onde progressive périodique? 2) Qu'est ce qu'une période? Une fréquence? 3) Qu'est ce qu'une longueur d'onde? 4) Quelle est la relation entre longueur d'onde, célérité et période (ou fréquence)? 5) Quelles sont les deux grandeurs qui caractérisent un son (les définir)? 6) Comment calcule-t-on le niveau sonore d'un son à partir de son intensité sonore? 7) Connaître le principe de l'analyse spectrale (analyse de Fourier). Savoir lire un spectre 8) Savoir ce qu'est un son pure et un son complexe. CQFR du chapitre 2 ) Qu'est qu'une onde progressive périodique? 2) Qu'est ce qu'une période? Une fréquence? 3) Qu'est ce qu'une longueur d'onde? 4) Quelle est la relation entre longueur d'onde, célérité et période (ou fréquence)? 5) Quelles sont les deux grandeurs qui caractérisent un son (les définir)? 6) Comment calcule-t-on le niveau sonore d'un son à partir de son intensité sonore? 7) Connaître le principe de l'analyse spectrale (analyse de Fourier). Savoir lire un spectre 8) Savoir ce qu'est un son pure et un son complexe. CQFR du chapitre 2 ) Qu'est qu'une onde progressive périodique? 2) Qu'est ce qu'une période? Une fréquence? 3) Qu'est ce qu'une longueur d'onde? 4) Quelle est la relation entre longueur d'onde, célérité et période (ou fréquence)? 5) Quelles sont les deux grandeurs qui caractérisent un son (les définir)? 6) Comment calcule-t-on le niveau sonore d'un son à partir de son intensité sonore? 7) Connaître le principe de l'analyse spectrale (analyse de Fourier). Savoir lire un spectre 8) Savoir ce qu'est un son pure et un son complexe.