Les champs sons d eaux

Finale nationale des Olympiades de Physique Vendredi 25 janvier 2008 Au Palais de la Découverte Morgan COUVELARD, Camille DUBART, Marie GHYS Présentent Les champs sons d eaux 1

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Sommaire. Le son 5 Mesure de la célérité du son en TP 7 Historique des mesures dans l eau 8 La bataille des chiffres significatifs 12 Quatre chiffres significatifs pour d 12 Quatre chiffres significatifs pour t 12 Les premiers essais d émission et réception de son dans l eau 16 Le problème des ondes stationnaires 18 Les ondes stationnaires 18 Comment générer des claps dans un tube? 19 Les mesures à Nausicaa 22 Le bassin tactile 22 Le récif corallien 23 Le tube de mesures 25 Le problème du haut-parleur 25 Le problème du micro 26 Mesures en fonction de la concentration en chlorure de sodium 28 La préparation des solutions. 28 La réalisation des mesures 29 Mesures en fonction de la température 31 Conclusion 34 Remerciements 35 Bibliographie papier 36 Webographie 37 Les Olympiades de Physique Une expérience à vivre (Camille) 38 Sacrées Olympiades!!! (Marie) 40 Il ne faut jamais baisser les bras et croire en ce qu'on fait (Morgan) 42 3

L an dernier, notre professeur de physique-chimie M. Ryves était quelques fois absent et nous expliquait par la suite qu il s agissait d un voyage dans le cadre des Olympiades. Effectivement, il allait à Stockholm, Malte et Moscou avec Perrine et Clémence, («un mirage + un mirage = une belle image»). Perrine et Clémence Lors de la remise de leur premier prix à l université Baumann de Moscou. Mais c est réellement cette année que nous avons découvert les Olympiades grâce à l intervention d un ancien participant (Maxime OdP 2006-2007) lors de notre premier TP de Spécialité. C est à ce moment que nous avons réellement su ce qu étaient les Olympiades, Nous avions chacun réfléchi de notre côté, sans savoir que l un ou l autre était aussi intéressé. Quand toute la classe a dû rendre le verdict quant à sa participation aux Olympiades, nous nous sommes rendus compte que nous, trois amis très proches, voulions y participer. Il a fallu alors se mettre en quête d un sujet intéressant et passionnant. Comme tous les dimanches matin depuis le début de l année, nous nous sommes retrouvés à la piscine et là, une illumination nous est venue. Les filles voulaient communiquer sous l eau et se sont rendu compte que c était possible! Marie n a pas vraiment compris ce que Camille a voulu lui dire, mais elle a entendu quelque chose. Et c est aussi, lors de notre premier DS de sciences physiques, le sujet USA juin 2007, devait nous faire calculer la célérité des ondes sonores dans l eau. Tout se confirmait! Il ne restait plus qu à mettre le moteur en marche et avoir plein d idées. Quelle est l histoire de cette mesure? Comment mesurer cette célérité, quels sont les différents paramètres qui influent sur celle-ci? 4

Le son Soyons réalistes, c est avant tout une partie importante de notre programme de terminale S, tant en tronc commun qu en spécialité. Ce travail nous a donc permis de mieux comprendre et d assimiler le programme. Le son est une OMPP 3D longitudinale! OMP comme onde mécanique progressive c'est-à-dire un phénomène de propagation d une perturbation dans un milieu, sans transport de matière. La perturbation se transmet de proche en proche, il y a transfert d énergie mais pas de transport de matière. Le milieu élastique reprend sa position initiale après le passage de la perturbation. Idéalement, chaque point du milieu reproduit à l identique le mouvement de la source avec un retard proportionnel à la distance de celle-ci. Le second P de OMPP comme périodique. Un son prolongé est un phénomène périodique, c'est-à-dire que la perturbation se reproduit identique à elle-même au cours du temps. Ce n est évidemment pas le cas pour les «Scrouitch» que l on peut entendre parfois dans les haut-parleurs de nos téléphones. 3D, comme trois dimensions, les ondes sonores et toutes les ondes mécaniques progressives, se propagent dans toutes les directions qui leur sont offertes. L air qui nous entoure ou l eau à laquelle nous allons nous intéresser, sont des milieux de propagation à trois dimensions, lorsque le son se propage dans un téléphone à ficelle, c est une onde à une dimension. Longitudinale, c est le cas du son, la perturbation est une onde de compressiondilatation des couches du milieu (l air en général), dont la direction est la même que celle de propagation. Toutes les ondes possèdent les mêmes propriétés caractéristiques : Elles se propagent de proche en proche sans transfert de matière. Elles se propagent dans toutes les directions qui leur sont offertes. Elles peuvent se croiser sans se perturber, on peut parler en même temps que quelqu un et se comprendre mutuellement. Elles peuvent être réfléchies, réfractées ou diffractées. La vitesse de propagation de la perturbation est une caractéristique du milieu. Pour les ondes mécaniques, et donc les ondes sonores, on ne parle pas de vitesse mais de célérité. Un véhicule a une certaine vitesse mais il y a dans ce cas un déplacement de matière contrairement aux ondes mécaniques progressives. On la note cependant, v, la lettre c étant réservée à la célérité de la lumière dans le vide (même s il s agit d une onde non mécanique, elle se propage dans le vide donc sans milieu et ne répond plus à la définition). 5

Donc la célérité se calcule par la relation v = d t d est la distance parcourue par la perturbation pendant le temps de parcours t. Cette célérité est une caractéristique du milieu et de son état (température, rigidité, tension) mais elle est indépendante de l amplitude de la perturbation pour un milieu dit linéaire. Matériaux Célérité Matériaux Célérité Air 343 PVC (Mou) 80 Eau 1 480 PVC (Dur) 1 700 Glace 3 200 Béton 3 100 Verre 5 300 Hêtre 3 300 Acier 5 200 Granit 6 200 Plomb 1 200 Péridotite 7 700 Titane 4 950 Sable sec 10 à 300 Célérité du son en m.s - 1 dans quelques matériaux à 20 C, 1013 hpa (Source Wikipédia) Dans le cas de la propagation du son dans l air on peut calculer sa célérité, v air, par la relation : v air = 331,4 + 0,607 x θ Où θ est la température en degré Celsius, c est cette relation que nous avons utilisée en TP, c est une formule approchée qui donne une erreur autour de 0,2% dans la gamme de température -20 C/ 40 C. Dans le cas des ondes mécaniques progressives périodiques, le milieu est dit dispersif si la célérité dépend de la fréquence. Pour terminer, les OMPP possèdent une double périodicité, l une temporelle (la période, T, en seconde d où le nom de périodique) et l autre spatiale : c est la longueur d onde λ en mètre. Les deux sont reliées par la relation : λ = v.t «La longueur d onde est la distance parcourue par la perturbation en une période». 6

Mesure de la célérité du son en TP. Lors du premier TP de physique «Mesure de la célérité d une onde», après avoir étudié la célérité d une onde à la surface de l eau, nous avons déterminé la célérité du son par la méthode du «clap». Le clap est en fait constitué de deux planches de bois articulées par une charnière. Lorsqu on referme rapidement le système il se produit un son, «le clap», et deux punaises se mettent en contact. Celles-ci sont reliées par l intermédiaire de 2 fils à la console Généris (borne synchro) qui déclenche l acquisition de la tension mesurée aux bornes de deux microphones séparés par une distance d. Clap Vers PC Micro 1 Micro 2 Punaises M M d Schéma du montage Le contact des punaises déclenche l acquisition en fonction du temps des signaux reçus par les 2 micros, le micro N 2 reçoit le signal avec un retard τ = M M ou Δt = d v v. Lorsqu on représente la courbe d = f(δt), on obtient une droite passant par l origine (voir page suivante). La distance d est proportionnelle à Δt, le coefficient directeur est la célérité v. On choisit 2 points de la courbe au «hasard», Le point (0,0) est très intéressant pour les calculs!!! k = 2,60 0 =0.346 m/ms (le point 2,60 m et 7,50 ms a été vérifié expérimentalement) 7,50-0 Soit v air = 346 m.s -1 Sachant que la température dans la salle était de θ = 26,0 C, on peut calculer v air théorique. v air théorique. = 331.4 +0,607 x 26,0 =347 m.s -1 L écart relatif est donc e = 347-346 347 x 100 = 1 347 x 100 = 0,28% 7

Ces résultats sont la «mutualisation des résultats» (la moyenne de la classe)des différents groupes de TP (comme dit M. BURIDANT), en fait la moyenne. «On ne fait pas de la physique sur une seule mesure, comme on n estime pas la valeur d un élève sur un seul DS» dit-il souvent. d (m) 3 d = f(δt) 2.8 2.6 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 Δt ms Nous savons donc essentiellement de ce TP que la multiplication des mesures est nécessaire, nous ne ferons pas une seule mesure mais le maximum possible. Lors du second TP de physique, «Dispersion et diffraction d une onde mécanique», nous avons utilisé un autre montage : Micro 1 Y A HP Micro 2 GBF Y B d1 Δd = k x λ d2 8

Dans ce TP, on utilise la périodicité spatiale des ondes sonores. Le GBF fournit une tension sinusoïdale de fréquence N à un haut-parleur, deux micros sont alors reliés à un oscilloscope. Lorsqu ils sont à la même position, les deux signaux reçus sont en phase. Lorsqu on recule le micro N 2, les signaux se déphasent. Puis si on continue à l éloigner, ils sont de nouveau en phase, la distance de déplacement correspond à une longueur d onde. Et si l on continue à n longueurs d onde, pour n retour en phase, la mesure du déplacement nous donne la longueur d onde, Δd = k x λ. λ = v x T et T = 1 N D où λ = v N Soit finalement v = λ x N Remarque : Plus la longueur d onde est petite, plus on a intérêt à multiplier les longueurs d onde (dans le déplacement) : une erreur de 1mm sur 800 mm, n a pas la même incidence que 1 mm sur 80 mm. Lors de ce TP, nous avons mesuré la célérité à différentes fréquences ; certaines sont particulièrement pénibles, et nous avons conclu que la célérité des ondes sonores dans l air est la même aux erreurs d expérience près, donc l air n est pas un milieu dispersif pour le son. Graves et aigus se propagent à la même vitesse. 9

Historique des mesures dans l eau D après la littérature, les scientifiques s intéressent aux sons dans l eau depuis Aristote (350 ans avant JC). La première mesure de sa célérité aurait été faite par François Sulpice BEUDANT, en 1813 dans le port de Marseille, il aurait trouvé 1500 m.s -1 d après différents livres consultés sur http://books.google.com sans autre précision. François Sulpice BEUDANT (1787-1850). La première mesure correctement relatée est celle faite, en 1826, sur le lac Léman (lac de Genève) par Jean-Daniel Colladon (physicien suisse) et Charles Sturm (mathématicien français). Jean Daniel COLLADON Charles François STURM 1802-1893 1803-1855 Un son était émis par une cloche immergée à Thonon (France) et un hydrophone, sorte de cornet permettant d écouter sous l eau, captait le son émis à Rolle (Suisse). Le dispositif de frappe de la cloche produisait également un flash qui donnait le top chrono. L expérience était faite de nuit pour éviter les bruits parasites et permettre de voir le flash. 10

La distance Thonon-Rolles avait été déterminée avec précision à 13487 m Détermination de la distance avec Google Earth (Elle est compatible suivant l endroit où on est dans l eau!!) Après n mesures (nombre inconnu), ils ont calculé le temps moyen mesuré à l aide d un chronomètre au 1/10 ème de seconde et ont trouvé une célérité de 1434 m.s -1 pour une eau à 8 C. La valeur mesurée par Colladon et Sturm a longtemps été considérée comme exacte. Or cela donne un temps moyen mesuré de 9,4 s. Il y a bien 5 chiffres significatifs dans la mesure de la distance mais seulement 2 dans la mesure de temps à l aide d un chronomètre au 1/10 ème de seconde. La valeur correcte pour le bac est 1,4.10 3 m.s -1. 11

La bataille des chiffres significatifs. Nous avons voulu obtenir la mesure de la célérité du son dans l eau avec au moins 4 chiffres significatifs. Puisque : v = d t (Relation fondamentale de la physique selon M. RYVES, notre professeur de 1S) ) d et t étant issus de mesures, il faut impérativement qu ils soient mesurés avec 4 chiffres significatifs. Quatre chiffres significatifs pour d Nous voilà retombés dans le premier TP de seconde «mesures et précision», où nous avions appris que la précision d une mesure est égale à la plus petite graduation de cet instrument. Il est alors facile d avoir 4 chiffres significatifs puisque des instruments de mesures de longueurs courants permettent d avoir une précision de 1 mm sur une longueur supérieure à 1,000 m, un «mètre ruban» de 2 m permet cette précision. Comme nous avions choisi d avoir une longueur plus grande, nous nous sommes procurés un pentamètre ou demi-décamètre (enfin 5m) dans un magasin de bricolage. Le premier réflexe de notre professeur a été de vérifier qu il portait bien les marques d un agrément aux normes françaises et européennes. Quatre chiffres significatifs pour t Nous avions choisi de travailler dans une salle de classe qui mesure 7,650 m de largeur sur 10,870 m de longueur (d après les plans de notre lycée rénové en 2000) Un rapide calcul avec une célérité de l ordre de 1500 m.s -1 donne un temps à mesurer de l ordre de = 7,067.10-3 s soit 7,067 ms avec une précision de la microseconde. C est cette précision que nous allions demander à notre logiciel Généris 5+. C est un logiciel qui fait des mesures en fonction du temps et qui permet de les traiter assez facilement. Bon, si nous choisissons une durée d acquisition de 10 ms et si nous choisissons l option 501 points de mesures, cela nous donne un intervalle de temps entre chaque mesure de 10,600 1500 = 2.10-5 s donc 20 fois ce que nous recherchions. Nous n avions pas du tout envie d apprendre à nous servir de la console d acquisition gagnée aux Olympiades par Perrine et Clémence. Et c est 12

là que la chance nous sourit. Le mercredi 19 septembre, après midi alors que nous cherchions une solution sur Internet, le téléphone sonne, c est le représentant de la marque qui veut savoir si les nouvelles consoles USB fonctionnent bien puisqu elles viennent d être livrées. M. BURIDANT répond que ça marche très bien au premier essai et que le lendemain, ce serait le premier test en grandeur réelle puisque c est le premier TP de terminale utilisant ce logiciel, et c est avec nous! Le représentant ajoute qu il va passer le lendemain! Nous avons donc eu la chance de pouvoir lui poser la question : «Comment mesurer un temps de quelques ms avec une précision de la µs?». On ne lui demande pas cela tous les jours, il donne à notre professeur, le mail du service technique. Un extrait de la réponse : «concernant la mesure temporelle, la précision est inférieure à la fréquence d'échantillonnage maximale de la console utilisée. Pour la console ESAO Visio +, par exemple, la fréquence d'échantillonnage maximale est de 10 MHz soit un point tous les 100 ns avec une résolution de 50 ns.» Donc théoriquement c était possible, mais restait le problème des 501 points, nous avons eu la curiosité de taper 601 et de lancer l acquisition, ça marche. 1001 aussi, 2001, 5001 aussi 10001 non. Mais qu importe! 5ms sur 5001 points cela nous donne une précision de 1µs. Restait à tester notre système. Nous avons pensé dans un premier temps mesurer la fréquence d un GBF. Puis on ne sait plus exactement comment nous est venue l idée : le TP mesure du temps en seconde où l on nous avait montré à l oscilloscope que le quartz d un réveil vibre à 2 15 Hz 32768 soit une période de T = 3,0518.10-5 s. Action, réaction, on essaie et voici le résultat.. Le montage pour l acquisition 13

Au premier abord cela semble complètement raté, mais en dilatant l axe des abscisses. 14

On a 610 µs pour 20 périodes soit T = 610 20 = 30,5 µs soit F = 1-6 = 32786 Hz (3,28.104 30,5.10 Hz en tenant compte des chiffres significatifs). Si on compare notre résultat aux 32768Hz espérés, nous pouvons être et nous sommes TRES contents de notre technique. 15

Les premiers essais d émission et réception de son dans l eau. Pour faire des essais d émission de son dans l eau, nous avons d abord recherché sur internet l existence de matériel étanche «Waterproof» ; c est un matériel qui existe et qui a un certain prix. En attendant, pourquoi ne pas travailler avec un haut-parleur classique? Après tout, celui-ci est constitué de fils vernis et donc isolés sauf au niveau des soudures. Nous avons donc essayé en isolant dans un premier temps avec de la cire de bougie, ce n est pas top car elle se craquèle au moindre mouvement, elle a tendance à rigidifier la membrane si elle est en contact avec elle et surtout elle risque de fondre si on étudie l effet de la température. Nous sommes donc passés voir le peintre du lycée pour savoir s il avait du vernis «pour isoler» il nous a fourni uniquement du vernis pour bois «Vous pouvez toujours essayer». C est ce que nous avons fait. Un petit coup de vernis sur les soudures, pour éviter d attendre, un petit coup de sèche-cheveux (utilisé pour les chromatographies sur couche mince), et nous avons répété l opération 2 ou 3 fois. Soudures isolées au vernis On branche sur un GBF Visionor (sortie 50 Ω), on met dans l eau d un cristallisoir, on appuie sur l interrupteur et on a le plaisir d entendre un son. Ça marche! notre première victoire! Bon le son n étant pas très fort nous avons essayé la sortie arrière du Visionor 1W, 8 Ω Le haut-parleur n a pas apprécié, ce fut notre premier échec! 16

«Mieux que bien c est mal : théorème de Ducrocq» dit très souvent en cours M. BURIDANT. C était le début de l année nous n avions pas encore complètement saisi la portée de cette petite phrase. L émission, ça fonctionne, bon eh bien il faut recevoir le signal maintenant. Un aperçu sur les micros disponibles au lycée nous a montré qu il n y avait pas grand-chose d étanche. Alors pourquoi ne pas essayer avec un haut-parleur utilisé en micro? Un haut parleur fonctionne grâce à la loi de Laplace, une bobine traversée par un courant, placée dans un champ magnétique, subit une force qui la déplace. Et si on soumet cette même bobine à une force qui provoque son déplacement dans le même champ magnétique, il apparaît un courant. Celui-ci est très faible, nous avons donc choisi de le brancher sur l entrée micro dynamique, à l aide d un cordon adapté, d un autre GBF Visionor qui cette fois est utilisé en tant qu amplificateur en mettant le bouton sur micro au lieu de générateur. Pour savoir si on reçoit un son, il suffit de brancher un haut parleur 1 W sur la sortie arrière. Et ce fut notre seconde joie de la journée, le son émis par le premier haut-parleur est reçu par un second (utilisé comme microphone) pour finalement être entendu par un troisième hautparleur. Tous ces heureux événements nous ont ravis! 17

Le problème des ondes stationnaires Les ondes stationnaires Nous nous sommes très vite demandés dans quel récipient, nous allions pouvoir faire nos mesures, pour pouvoir gérer tous les paramètres. Assez rapidement le choix d un tube nous a paru être une bonne idée. D autant que le labo de notre lycée a hérité des 60 m de tube de Maud et Clara (La couleur des poissons OdP 2004/2005). Et même si Perrine et Clémence en ont promené quelques morceaux dans toute l Europe avec leur lentille à mirage (OdP 2005/2006), on a toujours du stock. M. BURIDANT s est alors fait un plaisir de nous sortir de l armoire une «antiquité» : un tube de Kundt. C est un tube en verre fermé aux deux extrémités, l un des bouchons est relié à une tige métallique. Lorsqu on la frotte avec un chiffon imprégné de colophane (c est ce qu on met sur les archets de violon), cela émet un bruit sinistre qui fait grincer les dents. Et on voit alors que la poudre de lycopode (pollen de fougère), mise dans le tube, se met à former de petits tas par endroits et à d autres il n y en a plus : des nœuds et des ventres de vibration. Comme notre professeur devait partir en TP avec ses secondes, il nous donne son livre pour faire le TP sur la corde de Melde p.82. Sa salle étant voisine de la nôtre, nous lui avons lancé quelques SOS de temps en temps pour nous dépanner. Nous n avons pas eu le temps de faire l exploitation quantitative complète du TP, mais nous en avons compris le principe. 18

Un vibreur excite une corde tendue par une masse marquée. Corde vibreur HP Out Masse marquée GBF Au stroboscope, nous pouvons voir qu il s agit bien d une onde progressive, la perturbation se déplace. On augmente progressivement la fréquence, pour une valeur appelée «le fondamental» (noté f 0 ), on observe un fuseau. Puis si on la double, deux fuseaux etc. f 0 2 f 0 3 f 0 4 f 0 On a alors des nœuds et des ventres comme dans le tube de Kundt, là il s agit d onde transversale contrairement au son qui est une onde longitudinale. Le fondamental apparaît lorsque la longueur de la corde, L est égale à une demi-longueur d onde. Or celle-ci est liée à la fréquence, N, par la relation λ = v.t = v. 1 N On a deux fuseaux si L vaut deux etc. C est là que nous avons compris le problème. Nous ne pouvions pas utiliser deux micros comme en TP ; car si l un d eux est dans un ventre nous aurons un beau signal, mais si nous tombons sur un nœud, nous n'aurons rien. Il ne nous restait qu à adapter la technique des claps. Comment générer des claps dans un tube? Un clap c est un bruit court. Clap. Le son est généré par un GBF. C est alors que nous nous sommes souvenus qu en PCL, nous avions appris à faire des signaux de courte durée pour faire un stroboscope. Le rapport cyclique variable du Visionor permet de régler dans un signal en créneau le temps de l alternance positive et celui de l alternance négative. 19

u (V) 4 3 2 1 t (ms) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-1 -2-3 -4-5 Signal en créneau 50/50 u (V) 4 3 2 1 t (ms) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-1 -2-3 -4-5 Signal en créneau modifié alternances positives plus longues u (V) 4 3 2 1 t (ms) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-1 -2-3 -4-5 Signal en créneau modifié alternances négatives plus longues Bon, nous savons générer des impulsions électriques, mais comment passer aux impulsions sonores. La réponse vient de Mister Bubu : «Utilisez la vobulation externe!». Bon ok, vobuler c est changer la fréquence. Le Visionor permet une vobulation externe, c'est-à-dire qu en appliquant une tension sur l entrée «Vob ext», on modifie sa fréquence si les touches «Vob» comme vobulation et «Vob ext» sont enfoncées. Euréka! «Yes» (en fait), en envoyant notre impulsion électrique d un GBF1 sur l entrée «Vob ext» d un GBF2, nous contrôlons les impulsions sonores dans leurs durées et leurs fréquences. 20

u (V) 4 3 2 1 t (ms) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-1 -2-3 -4-5 Nous savons maintenant générer des impulsions sonores de fréquence fixée. Reste à tester à Nausicaa puis dans le tube! 21

Les mesures à Nausicaa. Nausicaa est le Centre National de la Mer, c est un musée vivant sur le monde marin dans différents aquariums ; on y présente le monde de la mer des abysses aux récifs coralliens en passant par les méduses, la mangrove et les requins. C est un lieu qu il faut visiter impérativement pour prendre conscience de la biodiversité et de la protection de la mer, trop souvent considérée comme une poubelle. Si l on jette un déchet dans la source de la Loire, il est tout à fait possible que cela atterrisse sur la plage de Boulogne-sur-Mer. Donc inutile de se donner bonne conscience en jetant les déchets dans les poubelles des plages pendant les grandes vacances si le reste de l année on n est pas un citoyen responsable. En dehors du cadre merveilleux, Nausicaa présentait pour nous un double intérêt : Pas de problème d onde stationnaire Des bassins de températures différentes. Pour nos premières mesures, c était l idéal. Nous allions en plus étudier si l eau est un milieu dispersif ou non, c'est-à-dire si que la célérité du son varie dans l eau en fonction de la fréquence. Le bassin tactile C est un bassin qui est fait pour entrer en contact direct avec les poissons, on peut les caresser. Les poissons, comme les raies (le symbole de Nausicaa) et les morues, aiment le contact. Pour nous, il s agit d un bassin peu profond et surtout très accessible, puisqu il est fait pour toucher les poissons, on peut facilement mettre à l eau nos hauts-parleurs et micros. C est un bassin à 9,5 C, c est froid quand on y plonge les mains! Un bassin idéal pour positionner notre matériel, des tables pour poser notre matériel, le grand luxe! Sauf que nous avions prévu de maintenir la distance haut-parleur /micro constante par l intermédiaire d une ficelle de nylon, mais nous avions oublié que ces poissons étaient très dociles et attirés par l homme. Un cabillaud de 70 cm qui vient voir ce que vous faites, c est assez gênant quand il y a des fils partout! Nous avons donc renoncé à ce système pour un autre : maintenir émetteur et récepteur plaqués contre les parois du bassin en les tenant à la main. Donc impossible de garantir une précision de l ordre du millimètre. En principe c était plaqué contre la paroi mais on ne peut pas garantir à 100% que l on n a pas bougé d'un millimètre. On a pu faire des mesures en nous adaptant au passage des poissons : pas de poissons entre émetteur et récepteur c est le top de notre professeur pour faire des mesures ; bon, il y a eu quelques ratés, des poissons «flashés» comme dit M. RYVES. Nous avons remarqués que quelque soit la fréquence et le niveau sonore, les poissons ne bougeaient pas, ils entendent pourtant mais leur audition doit être différente de la nôtre ou alors ils aiment la physique! Nos mesures : la distance entre émetteur et récepteur était de 3,805 m. nous avons fait 5 mesures par fréquence (mesurée au fréquencemètre de Généris) 200, 400, 800, 1600, 3200 et 6400 Hz (nous avions pour seule consigne de ne pas faire de 50 Hz, qui dérange les poissons). Hé bien pour toutes ces mesures nous avons trouvé le même temps de parcours 2,565.10-3 s, du moins aucun écart significatif. La 22

célérité semble donc être la même en fonction de la fréquence, l eau n est pas un milieu dispersif pour les ondes sonores. Nous allons voir dans un autre bassin. Le récif corallien C est un autre monde, plein de couleurs, on y retrouve le Pseudanthias pleurotaenia qui avait tant intrigué Maud et Clara, c est vrai que la couleur de sa tache change en fonction de la distance à laquelle il se trouve. Dans ce bassin, l accès n est pas prévu pour des mesures, pas de table donc «du quatre pattes sur le plancher», et le banc pour le portable de notre professeur.. Cette fois, les poissons semblent complètement indifférents à notre présence et notre matériel, nous pouvons donc mettre en place notre système avec un fil entre émetteur et récepteur ; la distance est de 3,246 m Fil Haut parleur Micro. 23

Là encore, nous avons fait les mêmes mesures, avec les mêmes fréquences et le temps moyen a toujours été le même c'est-à-dire 2,116 ms pour une distance de 3,247 m, nous notons que cela nous donne une célérité différente, notre hypothèse : cela est dû à la température de 26,5 C. Nous aurions aimé tester le bassin symétrique par rapport à la passerelle, mais il s agissait du bassin des requins Mais c est strictement interdit pour des raisons évidentes de sécurité, même nés en captivité, ils peuvent être très dangereux. Et ceux-ci n émettent pas de son, du moins détectable avec notre matériel : il est vrai que la vitre en plexiglass de 12 cm d épaisseur ne doit pas permettre la transmission d onde mécanique. Même si les solides transmettent très bien les sons, comme le bruit d un train sur un rail de chemin de fer qui s entend très loin. On peut toujours crier derrière une porte en fer de 12 cm, on ne risque pas de nous entendre! Le son émis n a pas l énergie suffisante pour mettre en mouvement l acier. 24

Le tube de mesures Réalisation du dispositif : Vers PC Haut-parleur de contrôle de fonctionnement Ampli GBF Générateur de «claps» GBF HP Tube PVC 50 mm d Générateur de d impulsion sonore Le problème du haut parleur. Schéma de principe Micro Bouchon en caoutchouc Le haut-parleur choisi (0,25 W, 50Ω) s adapte parfaitement au diamètre du tube PVC, c est encore une fois la chance qui nous sourit. Nous faisons un premier essai avec un raccord, ça entre parfaitement, merveilleux! Mais lors de la mise en eaux, cela fuit ; nous nous apercevons alors que la membrane du haut-parleur n est pas étanche. Nous avons alors eu l idée de l enduire de graisse ; un essai dans un évier nous montre que ça marche si et seulement s'il n y a pas trop de pression. Nouvel essai, nouvelle fuite. Mais cette fois, c est de la périphérie que vient la fuite, c est le joint qui n est pas efficace. Nous avons utilisé les différents modèles de joints disponibles au lycée, toujours des fuites, pas une inondation rapide mais de quoi vider le tube en un quart d heure. 25

Nous avons même essayé d emballer le haut-parleur dans du film étirable pour aliment, celui-ci étant collé avec de la super-glue sur la membrane, cela fuit toujours et pire encore, cela altère l émission du son car la membrane devient trop rigide. Nous nous rendons à l évidence : le raccord n est pas la solution idéale. En discutant avec les ouvriers du lycée, l un d eux nous raconte une anecdote. «Dans le temps, pour réparer les joints de pompes à eau sur les voitures, on découpait des joints dans du carton d emballage de sucre, puis on les trempait dans de l huile ou on les recouvrait de graisse». «De la graisse Belleville, c est ce qu il y a de mieux» Nous remontons quatre à quatre les marches des cinq étages qui nous mènent au labo. Un joint vite découpé dans une feuille de carton, un peu de graisse et si on le tient pressé sur l épaulement du raccord, ça marche! Il fallait maintenant trouver le moyen de maintenir l'ensemble appuyé. Les élastiques disponibles au labo et que nous avions nos trousses n exerçaient pas une pression assez forte! M. BURIDANT a soudain l idée de nous envoyer voir Mme HERBERT pour «emprunter» l un des élastiques qui servent à grouper les copies de bac. Un bouchon pour homogénéiser la pression. Après bien des heures de bricolage, et de nettoyage du carrelage, nous pouvons enfin émettre un son dans le tube, etcela sans fuite. Le problème du micro Nous avons tout de suite supprimé l idée d un second haut-parleur fixé à l autre extrémité du tube pour nous éviter de mesurer la vitesse du son dans le plastique du tube. Un coup d œil dans les «valises acoustiques région» datant de l époque où l on enseignait le son en seconde, nous a montré la présence de nombreux micros et haut-parleurs. Parmi ces derniers, des écouteurs, «modèle sonotone» de nos arrières-grands-parents. Premier essai, on a bien un son qui sort de notre haut-parleur de contrôle. On active Généris et c est la grande surprise. Ce n est pas un son qui se propage, c est quelque chose d instantané. u1, u (V) 4 3 2 1 t (ms) 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5-1 -2-3 -4-5 Nous n avons aucun décalage entre l émission et la réception, ce n est de toute évidence pas un son. Donc nouvel échec, qu est ce que ça peut bien être? Des problèmes de soudures, de connections non tout est en ordre. Jusqu au moment où, avant de replacer le «sonotone» dans l eau, nous mettons par hasard un doigt dans l eau, alors que l autre main tenait notre micro. A notre très grande surprise, notre haut parleur de contrôle émettait un son, et si 26