Activité O6 : Une ola à Rolland Garros

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1 T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Activité O6 : Une ola à Rolland Garros Une onde progressive est le phénomène de propagation d une perturbation sans transport de matière, mais avec transport d énergie. Eemples : - Les ondes mécaniques (sonores, sismiques, surfaciques,...) sont des ondes progressives qui nécessitent un milieu de propagation (l air, les roches, la surface de l eau,...) - Les ondes électromagnétiques, en revanche, peuvent se propager dans le vide (sans support matériel). Une onde se propage, à partir de la source, dans toutes les directions qui lui sont offertes. E : corde (1D), ondes à la surface de l eau (D), ondes sonores (3D) Dans un milieu non dissipatif (sans perte d énergie) et non dispersif (ne dépendant pas de la fréquence), une onde mécanique provoque en tous points du milieu une perturbation identique à celle de la source, avec un retard. La perturbation au point M se reproduit au point avec un retard t (en s) défini par : M v t M v est la célérité de l onde (en m.s -1 ). On appelle célérité d une onde la distance parcourue en une seconde par les perturbations créées par l onde. Elle représente la «vitesse de propagation» de l onde. on epression est : t > t M d v : célérité de l onde (en m.s -1 ) v d : distance parcourue par l onde ( t Δt : durée nécessaire pour parcour La célérité d une onde dépend : - De la température du milieu - De la densité du milieu Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes 1

2 Activité O7 : Caractéristiques des ondes T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Rappels : - Un phénomène est périodique lorsqu il se répète identique à lui- même à intervalle de temps constant. - La période T est la plus petite durée au bout de laquelle un phénomène périodique se répète identique à lui- même. - La fréquence ν («nu») est le nombre de fois qu un phénomène périodique se répète identique à lui- ν («nu» même en 1 seconde. (en Hz) 1 T Vibrateur Vibrateur corde. Cuve à onde ( + stroboscope) L onde est périodique, car la source (le vibrateur) a un mouvement périodique. L onde progressive se propage ensuite, et tous les points du milieu vibrent avec la même période que celle du vibrateur. Périodicité temporelle d une onde périodique Représentons la position du point M de la corde en fonction du temps. T t La période temporelle T de l onde est la durée au bout de laquelle un point du milieu se retrouve dans le même état. Périodicité spatiale d une onde périodique Représentons maintenant la photographie de la corde (ou de la surface) de l eau à un instant t donné. λ La période spatiale d une onde mécanique progressive est la plus courte distance de répétition d une onde à un instant donné. Cette distance est appelée longueur d onde et notée λ. On peut dire aussi que la longueur d onde λ est la distance séparant deu points consécutifs vibrants en phase. Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes

3 T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Relation entre périodicités temporelle et spatiale A l instant t la source commence à vibrer. t Au bout d un temps T, le point est atteint par l onde. L onde a alors parcouru une distance = λ. t = t+t L onde continue sa propagation en parcourant des distances λ en des durées T. t = t+t On peut donc dire que la longueur d onde λ est la distance parcourue par une onde périodique en une période T. t >> t On en déduit que la célérité de l onde est : v v.f T v : célérité de l onde en m.s -1 λ : longueur d one en m T : période en s f : fréquence en Hz Remarque importante : Ce qui caractérise une onde, c est sa fréquence f. Elle ne change pas quand l onde change de milieu. Ce n est pas vrai pour la longueur d onde qui dépend du milieu de propagation. FAIRE L EX 15 page Lumière a. La période T vaut : l 10,. 610 T - 6 c 3010,. 8 = 3, s. La fréquence f vaut : 1 1 f T 3510, =, Hz. b. La période T et donc la fréquence f ne sont pas modifiées (grandeur imposées par la source et ne dépendant pas du milieu de propagation). L indice optique de l eau est supérieur à 1 donc la célérité v de l onde électromagnétique dans l eau est plus faible que sa célérité c dans le vide. Donc la longueur d onde λ = vt est modifiée : elle diminue également (car T est identique et v est plus faible). c. La célérité v dans l eau vaut : c v 3010,. 8 =, m.s 1. n 13, La longueur d onde λ vaut : λ = vt =, , = 8, m = 8,1 µm. Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes 3

4 Chapitre 3 : (Cours) Ondes sonores : analse spectrale et effet Doppler ondes Chapitre sonores (sons sismiques, ) : et les ondes électromagnétiques visible et 3 :musicau, (Cours)ondes Ondes sonores analse spectrale et effet (lumière Doppler Les T- chapitre O- Caractéristiques des ondes invisible) ont pour propriété commune d être des ondes progressives, parfois sinusoïdales. Les ondes sonores (sons musicau, ondes sismiques, ) et les ondes électromagnétiques (lumière visible et invisible) ont pour propriété commune d être des ondes progressives, parfois sinusoïdales. Les ondes sonores (sons musicau, ondes sismiques, ) et les ondes électromagnétiques (lumière visible et TP I.invisible) ont pour propriété commune d être des ondes progressives, parfois sinusoïdales. 08 Analse spectrale d un son : Etude des sons I. I. Analse spectrale d un son I.1. ons audibles et inaudibles Analse spectrale d un son I.1. ons audibles inaudibles Les fréquences audibles paretune oreille dite «normale» sont comprises entre 0 Hz et 0 khz, ces valeurs évoluant d un individu à l autre et pour une même personne, avec l âge. On appelle infrasons les sons de fréquence I.1. ons audibles et inaudibles Les fréquences audibles par une oreille dite «normale» sont comprises entre 0 Hz et 0 khz, ces valeurs évoluant inférieure à 0 Hz. d un individu à audibles l autre et une même l âge. On entre appelle infrasons les ces sonsvaleurs de fréquence Les fréquences parpour une oreille dite «personne, normale»avec sont comprises 0 Hz et 0 khz, évoluant inférieure à 0 Hz. d un individu à l autre et pour une même personne, avec l âge. On appelle infrasons les sons de fréquence inférieure à 0 Hz. Les ultrasons, de fréquences supérieures à 0 khz, ne constituent pas un son musical, du moins pour l Homme. La vitesse su son dépend de la température, de la pression et du milieu de propagation. De manière Les ultrasons, de fréquences supérieures à 0 khz, ne constituent pas un son musical, du moins pour l Homme. générale, plus le milieu est dense plus la vitesse est grande (air : 340 m/s, eau 1500 m/s) I.. Caractéristiques d un son musical Les ultrasons, de fréquences supérieures à 0 khz, ne constituent pas un son musical, du moins pour l Homme. Un son musical a trois caractéristiques :musical Caractéristiques d un son TP 0-9 :I.. saehauteur, tude spectrale caractérisée par sa fréquence f1, appelée aussi fréquence fondamentale ; I.. Caractéristiques d un son musical Un son - musical son timbre, auquel nos oreilles: sont sensibles, qui en font un son plus ou moins harmonieu, caractérisé a trois caractéristiques ; aussi fréquence fondamentale ; samusical hauteur, caractérisée par sa fréquence f1, appelée Un-sonpar l allure du signal sonore et/ou par son spectre a trois caractéristiques : son intensité, traduisant un son plus ou moins fort, caractérisée intensité sonore ) ou le timbre, auquel nos oreilles sont sensibles, qui enaussi fontfréquence un par son son plus ou moins harmonieu, caractérisé sa hauteur, caractérisée par sa fréquence f1, appelée fondamentale ; (I en W.m niveau d intensité sonore (L en db), qui est accessible par une mesure au sonomètre. par l allure du signal sonore et/ou par son spectre ; - son timbre, auquel nos oreilles sont sensibles, qui en font un son plus ou moins harmonieu, caractérisé (Détails sur les propriétés d un son - son intensité, traduisant un au soni.6.) plus ou moins fort,; caractérisée par son intensité sonore (I en W.m-) ou le par l allure du signal sonore et/ou par son spectre en plus db), ou quimoins est accessible par une mesure sonomètre. - niveau d intensité sonore son intensité, traduisant un(lson fort, caractérisée par sonauintensité sonore (I en W.m-) ou le (Détails sur les propriétés d un son niveau d intensité sonore au (L I.6.) en db), qui est accessible par une mesure au sonomètre. I.3. on pur (Détails sur les propriétés d un son au I.6.) Faire l eercice corrigé 6 un diapason conduit à un signal (une tension) d allure sinusoïdale. L enregistrement du son purpage émis 6par I.3. on pur La fréquence de ce signal est la fréquence du son ou sa hauteur. I.3. on pur L intensité sonore est liée à l amplitude du signal. L enregistrement du son pur émis par un diapason conduit à un signal (une tension) d allure sinusoïdale. s (V) La fréquence de ce signal la un fréquence duconduit son ou àsaunhauteur. L enregistrement du son pur émisestpar diapason signal (une tension) d allure sinusoïdale. L intensité sonore est liée à l amplitude du signal. La fréquence de ce signal est la fréquence du son ou sa hauteur. s (V) 1,5 L intensité sonore est liée à l amplitude du signal. s (V) 1 1,5 0,51, ,5-0,50, ,5-1,5-0, , t (ms) -1,5 - Chapitre 3 : Ondes sonores et effet 4Doppler - : analse spectrale 4 Chapitre 3 : Ondes sonores : analse spectrale et effet Doppler Chapitre 3 : Ondes sonores : analse spectrale et effet Doppler t (ms) 10 t (ms) Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Page 1 Page 1 Page 1 4

5 T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Un son complee, émis par une voi, un instrument,..., est un signal périodique dont l allure est quelconque (n est pas sinusoïdale). Eemple : une note jouée à la flûte (ré 4 ) La période du signal permet d aboutir à la fréquence du son donc à sa hauteur. T = 16,96/10 = 1,696 ms d où f 590 Hz. Le mathématicien français Joseph Fourier a montré (en 18) que «toute fonction périodique de fréquence f 1 est la somme de fonctions sinusoïdales de fréquence f 1, f, f 3,..., multiples de f 1». Des logiciels permettent de réaliser une transformée de Fourier c'est-à-dire une décomposition d un signal périodique en somme de sinusoïdes ;; le résultat apparaît sous forme d un spectre, c'est-à-dire d un graphe «amplitude en fonction de la fréquence». Chaque sinusoïde est représentée par un pic dont l abscisse est la fréquence. (Hors programme : f(t) = a + Eemple : le spectre du «ré 4» (a cos(n ft)+b sin(n ft)) Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes 5

6 T- chapitre O- Caractéristiques des ondes Le premier pic, quelle que soit son amplitude, indique toujours la fréquence du son, c'est-à-dire sa hauteur : on lit 588 Hz ; cette valeur est aussi appelée fréquence fondamentale, f 1. Les deu pics suivants, de fréquence f = 1176 Hz et f 3 = 1764 Hz, caractérisent les harmoniques de ce son. On a f = f 1 et f 3 = 3 f 1 Toutes les fréquences harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale (f n = n.f 1 ) Le nombre et l amplitude relative des harmoniques définissent le timbre d un son. Deu sons de même hauteur peuvent se distinguer par leur timbre ; ceci se voit : - à l allure temporelle, qui est différente ; - à la répartition en harmoniques (amplitude, nombre d harmoniques) qui est aussi différente. Plus un timbre est riche plus il possède d harmoniques et plus la courbe temporelle a un motif complee. Terminale ciences Phsiques- T- chapitre O- Caractéristiques des ondes 6