Act. Expérimentale 1 ère partie : COMMENT FONCTIONNE UN HAUT-PARLEUR?

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1 Mots clés : casque audio (haut-parleur), microphone, enceintes acoustiques Activité 1. ETUDE D UN TRANSDUCTEUR ELECTRO-ACOUSTIQUE : LE HAUT-PARLEUR Act. Expérimentale 1 ère partie : COMMENT FONCTIONNE UN HAUT-PARLEUR? DOCUMENTS : Doc 1. Définitions : Transducteurs : Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre. Un transducteur électro-acoustique est un dispositif transformant un signal électrique en un signal sonore (ou un signal sonore en signal électrique. Mais on parle alors plutôt de transducteur acousto-électrique) Doc 2. Doc 3. Membrane Saladier obine Pôle Nord de l aimant Pôle Nord de l aimant Pôle Sud de l aimant Doc 5. Pôle Sud de l aimant (radial) obine Doc 4. Doc 7.Champ magnétique créé par un aimant Doc 6. La règle des 3 doigts (de la main DROITE) Cas d un aimant en U Cas d un aimant droit Ch4 TP haut-parleur- 1/8

2 Découverte de la force de Laplace RREEAA On dispose d une maquette «force de Laplace» (voir ci-contre). Réalisez l expérience et vérifiez qu il est possible de faire bouger le rail conducteur sans le toucher! On considère un élément conducteur rectiligne CD, de longueur, parcouru par un courant d'intensité I et placé dans un champ magnétique uniforme. Cet élément est alors soumis à une force électromagnétique F, appelée force de Laplace, dont les caractéristiques sont les suivantes : son point d'application est le milieu M de l'élément CD ; sa direction est perpendiculaire au plan formé par l'élément CD le vecteur champ magnétique ; en notant l un vecteur parallèle à l'élément CD et orienté dans le sens du courant, le sens de la force F est tel que le trièdre ( l,,f ) soit direct figure ci-dessus la valeur de la force F est (en newton, N) : F = I x x x sin (pour infos) I : intensité du courant en ampère (A) ; : longueur de l'élément en mètre (m) ; : valeur du champ magnétique en tesla (T) ; : angle entre l et 1) En vous aidant du doc 6., ajoutez sur le schéma : le sens du courant qui circule dans la tige conductrice (fil conducteur) le vecteur champ magnétique créé par l aimant en U au voisinage de la tige associé au sens de la force de Laplace F représentée sur le schéma. 2) Que se passe-t-il si on change le sens de courant? Si l on change le sens du courant, la force de Laplace change aussi de sens donc la tige a un mouvement dans le sens de la force de Laplace donc dans le sens inverse. 3) Que se passerait-il si le courant était alternatif? Si le courant est alternatif, la tige aura un mouvement de va-et-vient : la force de Laplace conservera la même direction mais changera alternativement de sens. Ch4 TP haut-parleur- 2/8

3 Comment utiliser la force de Laplace pour générer une onde sonore? AANAA Matériel à disposition : - Fils électriques - Interrupteur - obine de fil électrique suspendue à un cadre métallique à l aide de ressorts - Aimant droit - Générateur de tension continue (U = 4,5 V) - GF (Tension d amplitude 8 V, de fréquence f variable) ATTENTION : on ne modifiera pas le réglage des amplitudes des tensions électriques délivrées par les générateurs. En vous inspirant des documents et de vos connaissances de tronc commun, utilisez le matériel à disposition pour générer un son audible. On expliquera le fonctionnement de ce «HP simplifié» en quelques phrases et à l aide des schémas ci-dessous (A compléter avec les symboles I, et F). 1. obine vue de face 2. obine vue de dessus F 3. obine vue de face 4. obine vue de dessus Imaginons que la face Nord de l aimant soit située au dessus : le champ magnétique est alors orienté du Nord au Sud donc vers le bas. D après la règle des 3 doigts de la main droite, la force de Laplace est dirigée vers l avant de la feuille. Elle sera représentée par un point dans un cercle. La face Nord de l aimant est toujours située au dessus. F D après la règle des 3 doigts de la main droite, la force de Laplace est dirigée vers l arrière de la feuille. ilan : Avec un GF, la bobine a un mouvement de va-et-vient. Quels sont les paramètres à faire varier pour obtenir un son +/- aigu? un son +/- fort? Utilisez le haut-parleur «réel» du labo (alimenté par un GF) et complétez les phrases suivantes : Pour obtenir un son plus aigu, il faut : diminuer augmenter la fréquence... AANAA Pour obtenir un son plus fort (plus intense), il faut : diminuer augmenter l amplitude de la tension. Ch4 TP haut-parleur- 3/8

4 Act. Exp.2 ème partie : Le HP du labo est-il plutôt un boomer, un medium ou un tweeter? Document. Les principales caractéristiques d un haut-parleur sont : - L impédancede sa bobine mobile (4 ou 8 généralement) - Sa puissance électrique maximale admissible (ou puissance de crête): sous peine de détérioration, on ne doit pas dépasser cette valeur. - Son rendement ou sensibilité : il représente la capacité du haut-parleur à transformer l énergie électrique en une grandeur acoustique, le niveau sonore, mesuré en d. L (d) - Sa bande passante : c est la bande de fréquences des sons audibles que le haut-parleur est capable de reproduire sans modification, sans perte notable du niveau acoustique (Par ex., la bande passante à 3 d est le domaine de fréquences pour lequel le niveau sonore est supérieur à (L max 3 d)). ande passante à -3 d f (Hz) La bande passante d un haut- parleur est étroitement liée à son diamètre. On distingue trois sortes de hauts-parleurs : 1- Les boomers (de grand diamètre > 15 cm) pour les sons graves (20 Hz à 500 Hz) 2- Les mediums pour les sons médium (150 à 3000 Hz pour les hauts de gamme) 3- Les tweeters (de petit diamètre : 2,5 cm) pour les sons aigus (2000 à Hz) Matériel disponible : - valise acoustique (chambre sourde) - sonomètre - haut-parleur - GF - des fils. - papier semi-logarithmique (méthode d utilisation : voir fiche du livre de Spé p. 208) CCoomppéét teennccee AANAA Proposez un protocole expérimental qui vous permettra de répondre à la problématique. Vous préciserez le(s)paramètre(s) expérimentaux qu il est important de maintenir constant(s). Protocole expérimental Matériel : haut-parleur ; GF ; sonomètre, papier semi-logarithmique. À l'aide d'un sonomètre, on mesure le niveau d'intensité sonore L (en d) d'un son en fonction de sa fréquence f (en Hz), comprise entre 20 Hz et 20 khz, tout en maintenant l amplitude de cette tension constante (U = 0,1 V). Le sonomètre sera placé à 2 cm environ du haut-parleur. Conditions expérimentales : Haut-parleur de diamètre égal à 12 cm. U = 0,1 V. Distance d (sonomètre / haut-parleur) = 2 cm. Niveau de bruits de fond < 50 d. Ch4 TP haut-parleur- 4/8

5 Remarques : Cette manipulation doit être effectuée dans une salle très calme (l idéal serait de la faire en chambre sourde). Il faut donc avoir le silence complet dans sa classe ; Il faut placer le haut-parleur et le sonomètre de manière à avoir le moins de réflexions parasites sur des éléments de la salle (table, mur, plafond,...). Il vaut donc mieux mettre le sonomètre à la verticale du haut-parleur ; Cette manipulation est souvent désagréable car le son émis par le haut-parleur est, à certaines fréquences, très déplaisant. Valeurs expérimentales : f(hz) L(d) , ,8 57,7 61,8 73,9 74,3 79,3 83,6 84,9 84,3 85,5 84,4 f(hz) L(d) ,6 83, ,2 88,9 92,2 91,2 90,4 83,5 73, Tracer sur une feuille semi-logarithmique, la courbe représentant le niveau sonore en fonction de la fréquence. Ch4 TP haut-parleur- 5/8

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7 SUITE DE L ETUDE : ASDS CCoomppéét teennccee AAPPPP 1. POURQUOI ENFERME-T-ON SOUVENT LES HAUTS-PARLEURS DANS DES ENCEINTES ACOUSTIQUES? La membrane d un haut-parleur fait vibrer l air devant elle mais aussi derrière elle. L onde arrière est déphasée de 180 par rapport à celle de devant. Quand l onde arrière rencontre l onde avant, elles s annulent. Le rendement d un haut-parleur est donc particulièrement mauvais quand il est utilisé seul. L enceinte supprime les vibrations arrière la plupart du temps : il s agit d une boîte hermétique, remplie ou capitonnée d un matériau absorbant, dont le but est d emprisonner l onde arrière et ainsi supprimer le court-circuit acoustique. Les trois principaux types d enceintes sont les suivants : Questions : 1) Qu est-il important d éviter lorsqu un haut-parleur génère une onde sonore? 2) Quels sont les trois principaux moyens d y parvenir avec une enceinte? 2. COMPARAISON DU FONCTIONNEMENT D UN HAUT- PARLEUR ET D UN MICROPHONE A l aide du document ci-dessous et de l animation micro.swf, comparer le principe de fonctionnement d un microphone à celui du haut-parleur. Ch4 TP haut-parleur- 7/8

8 ILAN Act.1. : Que retenir sur les émetteurs et récepteurs sonores? Un exemple d émetteur sonore : le haut-parleur Lorsqu on soumet le haut-parleur à une tension électrique sinusoïdale imposée par un GF, la bobine du hautparleur est parcourue par un courant électrique alternatif périodique. Soumise au champ magnétique créé par l aimant présent dans le haut-parleur, la bobine subit une force de Laplace qui change régulièrement de sens : Le sens de cette force est lié aux sens du courant et du champ magnétique : il est régi par la REGLE DES 3 DOIGTS (règle de la main DROITE). La bobine se met à osciller, entraînant avec elle la membrane du haut-parleur. obine et membrane vibrent simultanément, à la fréquence de la tension électrique appliquée aux bornes du hautparleur. Ces vibrations entraînent des compressions et des dilatations des couches d air adjacentes, ce qui donne naissance à une onde sonore (onde mécanique, progressive, périodique, longitudinale). La hauteur du son dépend de la fréquence de l onde : plus cette fréquence est importante, plus le son est aigu. L intensité du son dépend de l amplitude de l onde : plus cette amplitude est grande, plus le son est intense. Un haut-parleur est un transducteur électro-acoustique. La bande passante du haut-parleur est la bande de fréquences des sons audibles que le haut-parleur est capable de reproduire sans modification, sans perte notable du niveau acoustique. (Par ex., la bande passante à 3 d est le domaine de fréquences pour lequel L >(L max 3 d)). On distingue trois sortes de hauts-parleurs : 1 - Les boomers (de grand diamètre > 15 cm) pour les sons graves (20 Hz à 500 Hz) 2 - Les médiums pour les sons médium (150 à 3000 Hz pour les hauts de gamme) 3 - Les tweeters (de petit diamètre : 2,5 cm) pour les sons aigus (2000 à Hz) Les baffles permettent d augmenter le rendement du haut-parleur en empêchant le court-circuit acoustique (extinction du son lors de la rencontre d ondes sonores avant et d ondes sonores arrière déphasées de 180 ). Un exemple de récepteur sonore : le microphone Le microphone a un fonctionnement inverse de celui du haut-parleur. La mise en mouvement de sa membrane lors de la réception de l onde sonore fait apparaître une tension électrique aux bornes du micro (même fréquence et amplitude proportionnelle à celle de l onde sonore). Un micro est un transducteur acousto-électrique. Ch4 TP haut-parleur- 8/8