DS n 1 Durée : 2 heures - Calculette autorisée T ale S

DS n 1 Durée : 2 heures - Calculette autorisée T ale S Exercice 1 : Détecteurs pour automobile (environ 7 Points) «Sans les mains! C'est de cette manière que vous pourrez, peutêtre très bientôt, conduire votre prochaine voiture...». Cette phrase évoque ici la voiture autonome dont la commercialisation sera lancée aux alentours de 2020. Cette voiture «se conduira seule», car elle aura une perception globale de son environnement grâce à la contribution de plusieurs capteurs : télémètre laser à balayage (LIDAR*), caméra, capteurs à infrarouge, radars, capteurs laser, capteurs à ultrasons, antenne GPS... *LlDAR = Light Detection And Ranging Un odomètre mesure la distance parcourue par la voiture. L'objectif de cet exercice est d'étudier quelques capteurs présents dans une voiture autonome. Principe de fonctionnement des capteurs Les radars, capteurs ultrasonores et lasers sont tous constitués d'un émetteur qui génère une onde pouvant se réfléchir sur un obstacle et d'un capteur qui détecte l'onde réfléchie. Le capteur permet de mesurer la durée entre l'émission et la réception de l'onde après réflexion sur l'obstacle. Le radar utilise des ondes radio. Le sonar utilise des ultrasons tandis que le laser d'un LIDAR émet des impulsions allant de l'ultra-violet à l'infrarouge. Extrait d'une notice de «radar de recul» (aide au stationnement). - En marche arrière le «radar de recul» se met en fonction automatiquement. - L'afficheur indique la distance de l'obstacle détecté pour des valeurs comprises entre 0,3 m et 2 m. - L'afficheur dispose d'un buzzer intégré qui émet un signal sonore dont la fréquence évolue en fonction de la distance à l'obstacle. Extrait d'un document d'un constructeur automobile : système autonome de régulation de vitesse ACC. Le système ACC traite les informations d'un capteur radar afin d'adapter la vitesse de la voiture en fonction des véhicules qui la précèdent. Les caractéristiques du capteur radar d'un système ACC sont données ci-dessous. Détermine la distance, la vitesse et la Fonctionnalité direction d'objets mobiles roulant devant le véhicule Fréquence d'émission Portée minimale - portée maximale 76 77 GHz 1 m 120 m Activation du capteur vitesse > 20 km.h 1

Données : - célérité du son dans l'air à 20 C : v = 343 m.s 1 ; - célérité de la lumière dans le vide ou dans l'air : c = 3,0 10 8 m.s 1. 1. Propriétés de quelques capteurs présents dans la voiture autonome 1.1. Compléter le tableau de l'annexe à rendre avec la copie en précisant pour chaque capteur le type d'ondes utilisées. 1.2. À l'aide du tableau ci-dessous, déterminer le nom de la bande d'ondes radio utilisées par le capteur radar de l'acc. Justifier votre réponse à l'aide d'un calcul. Nom de bande Longueurs d'onde dans le vide d'ondes radio HF L W 10 m 100 m 15 cm 30 cm 2,7 mm - 4,0 mm 2. Plage de détection d'un obstacle pour le «radar de recul» Ce «radar de recul» est composé de quatre capteurs ultrasonores identiques. Chacun de ces capteurs a une portée minimale dmin = 0,30 m d'après la notice. Cela signifie qu'un obstacle situé à une distance du capteur inférieure à dmin ne sera pas détecté. Le capteur est constitué d'un matériau piézo-électrique utilisé à la fois pour fonctionner en mode émetteur ou en mode récepteur. Il ne peut fonctionner correctement en récepteur que lorsqu'il a fini de fonctionner en émetteur. Pour cette raison, le capteur génère des salves ultrasonores de durée t1 = 1,7 ms avec une périodicité t2 = 12 ms. La figure ci-dessous illustre ce fonctionnement. 2.1. Légender la figure de l'annexe à rendre avec la copie en indiquant les durées t1 et t2. 2.2. Faire un schéma représentant un capteur détectant un obstacle et y faire apparaître sa portée minimale dmin et sa portée maximale dmax en précisant leurs valeurs. 2.3. Vérifier que pour la distance dmin entre le capteur et l'obstacle, la durée entre l'émission et la réception est égale à t1. 2.4. Si la durée que met l'onde émise pour revenir au capteur est inférieure à t1, pourquoi le capteur ne peut-il pas détecter l'obstacle de manière satisfaisante? Justifier la réponse. 2.5. Quelle caractéristique du signal de l'émission doit-on alors modifier pour que le capteur puisse détecter un obstacle situé à une distance inférieure à dmin? Justifier votre réponse. 2.6. Montrer que la valeur de la portée maximale de ce capteur est liée essentiellement à une des caractéristiques du signal émis. 3. Les radars, les capteurs ultrasonores et les capteurs lasers permettent avec des similitudes dans leur principe de fonctionnement de détecter un obstacle. Pourquoi ne pas utiliser alors un seul de ces trois types de capteurs dans un projet de voiture autonome? On rédigera une réponse argumentée en s'appuyant sur des informations tirées des différents documents utilisés, y compris le tableau de l'annexe.

Exercice 2 : Houle et mascaret (environ 6,5 points). La houle est un train de vagues régulier généré par un vent soufflant sur une grande étendue de mer sans obstacle, le fetch. En arrivant près du rivage, sous certaines conditions, la houle déferle au grand bonheur des surfeurs! Les documents utiles à la résolution sont rassemblés à la fin de l exercice. Donnée : intensité de la pesanteur : g = 9,8 m.s -2. 1. La houle, onde mécanique progressive 1.1. Pourquoi peut-on dire que la houle est une onde mécanique progressive? 1.2. Il est possible de simuler la houle au laboratoire de physique avec une cuve à ondes en utilisant une lame vibrante qui crée à la surface de l eau une onde progressive sinusoïdale de fréquence f = 23 Hz. On réalise une photographie du phénomène observé (document 1). Déterminer, en expliquant la méthode utilisée, la vitesse de propagation v de l onde sinusoïdale générée par le vibreur. 1.3. Au large de la pointe bretonne, à une profondeur de 3000 m, la houle s est formée avec une longueur d onde de 60 m. En utilisant le document 2, calculer la vitesse de propagation v1 de cette houle. En déduire sa période T. 2. Surfer sur la vague La houle atteint une côte sablonneuse et rentre dans la catégorie des ondes longues. 2.1. Calculer la nouvelle vitesse de propagation v2 de la houle lorsque la profondeur est égale à 4,0 m, ainsi que sa nouvelle longueur d onde λ2. Les résultats obtenus sont-ils conformes aux informations données dans le document 3? 2.2. Pour la pratique du surf, la configuration optimale est : - à marée montante c'est-à-dire entre le moment de basse mer et celui de pleine mer ; - avec une direction du vent venant du Sud-Ouest. Un surfeur consulte au préalable un site internet qui lui donne toutes les prévisions concernant le vent, la houle et les horaires des marées (document 4). Proposer en justifiant, un créneau favorable à la pratique du surf entre le jeudi 21 et le samedi 23 juin 2012. 2.3. Un autre phénomène très attendu par les surfeurs, lors des marées importantes est le mascaret. Le mascaret est une onde de marée qui remonte un fleuve. Cette onde se propage à une vitesse v de l ordre de 5,1 m.s -1. Le passage du mascaret étant observé sur la commune d Arcins à 17h58, à quelle heure arrivera-t-il à un endroit situé à une distance d = 13 km en amont du fleuve? Documents Document 1 : Simulation de la houle au laboratoire avec une cuve à ondes.

Document 2 : Vitesse de propagation des ondes à la surface de l eau. - cas des ondes dites «courtes» (en eau profonde) : longueur d onde λ faible devant la profondeur h de l océan (λ < 0,5.h) v= g. λ 2 π - cas des ondes dites «longues» (eau peu profonde) : longueur d onde λ très grande devant la profondeur de l océan (λ > 10.h) v= g. h g est l intensité du champ de pesanteur terrestre. D après http://ifremer.fr/ Document 3 : Déferlement des vagues sur la côte En arrivant près de la côte, la houle atteint des eaux peu profondes. Dès que la profondeur est inférieure à la moitié de la longueur d onde, les particules d eau sont freinées par frottement avec le sol. La houle est alors ralentie et sa longueur d onde diminue. Ces modifications des caractéristiques de l onde s accompagnent d une augmentation d amplitude. La période est la seule propriété de l onde qui ne change pas à l approche de la côte. Ainsi en arrivant près du rivage, la vitesse des particules sur la crête est plus importante que celle des particules dans le creux de l onde, et lorsque la crête n est plus en équilibre, la vague déferle. D après http://ifremer.fr/ Document 5 : Prévisions maritimes.

Exercice 3 : Protection contre le bruit (environ 6,5 points). Nos oreilles sont fragiles. Une trop grande intensité sonore peut les endommager de façon irréversible. Pour prévenir ce risque, il existe des protections auditives de natures différentes selon leur type d utilisation. On peut distinguer, par exemple, deux catégories de bouchons d'oreilles : - les bouchons en mousse (ou les boules en cire), à usage domestique. Ce sont largement les plus courants. Ils sont généralement jetables, de faible coût et permettent de s'isoler du bruit. Ils restituent un son sourd et fortement atténué. - les bouchons moulés en silicone, utilisés par les musiciens. Ils sont fabriqués sur mesure et nécessitent la prise d'empreinte du conduit auditif. Ils sont lavables à l'eau et se conservent plusieurs années. Ils conservent la qualité du son. Leur prix est relativement élevé. L'objectif de l'exercice est de comparer le comportement acoustique des bouchons en mousse et des bouchons moulés, lorsque l'auditeur qui les porte écoute le son émis par une flûte à bec. 1. Analyse de la note la4 d une flûte à bec Le musicien joue la note la4. À l'aide d'un système d'acquisition, on enregistre le son émis par la flûte. On obtient l'enregistrement du signal électrique correspondant (figure 1). 1.1. En utilisant la figure 1, on a déterminé la fréquence du son émis : f = 8,8 10 2 Hz. Expliquer la démarche suivie pour obtenir cette valeur avec la plus grande précision possible. 1.2. Cette fréquence étant celle du mode fondamental, quelles sont les fréquences des harmoniques de rangs 2 et 3? Figure 1 2. Comparaison de la qualité acoustique d'un bouchon en mousse et d'un bouchon moulé en silicone à partir d un document publicitaire On s'intéresse ici à la qualité du son perçu par un auditeur muni de protections auditives. On donne l expression du niveau sonore L (exprimé en décibels acoustiques dba) associé à I I 0 une onde sonore d intensité I : L = 10 log où I0 représente l intensité sonore de référence égale à 1,0 10 12 W.m 2. Sur un document publicitaire, un fabricant fournit les courbes d'atténuation correspondant aux deux types de bouchons (figure 2). On représente ainsi la diminution du niveau sonore due au bouchon en fonction de la fréquence de l'onde qui le traverse. On remarquera que plus l atténuation est grande plus l intensité sonore est faible.

Figure 2 2.1. Une pratique musicale régulière d'instruments tels que la batterie ou la guitare électrique nécessite une atténuation du niveau sonore. Cependant, cette atténuation ne doit pas être trop importante afin que le musicien entende suffisamment ; elle ne doit donc pas dépasser 25 dba. Indiquer pour chaque bouchon si le critère précédent a été respecté. 2.2. En utilisant la courbe d atténuation (figure 2), indiquer si un bouchon en mousse atténue davantage les sons aigus ou les sons graves. Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons en mousse) restituent un son sourd". 3. Comparaison de la qualité acoustique d'un bouchon en mousse et d'un bouchon moulé en silicone à partir d une expérience Un dispositif adapté permet d'enregistrer le son émis par la flûte et ceux restitués par les deux types de bouchons lorsqu un musicien joue la note la4. Les spectres en fréquence de ces sons sont représentés figure 3, figure 4 et figure 5. 3.1. En justifiant, indiquer si le port de bouchon en mousse modifie : - la hauteur du son? - le timbre du son? Même question pour le bouchon moulé en silicone. 3.2. Commenter la phrase du texte introductif : "Ils (les bouchons moulés) conservent la qualité du son". 4. Une exposition prolongée à 85 dba est nocive pour l'oreille humaine. Durant un concert de rock, un batteur est soumis en moyenne à une intensité sonore I = 1,0 10 2 W.m 2. 4.1. Calculer le niveau sonore auquel correspond l'intensité sonore I. 4.2. Le batteur est porteur de bouchons moulés en silicone correspondant au document publicitaire. En vous aidant de la figure 2, préciser si ses facultés auditives peuvent être altérées au cours du concert?

Figure 3 : spectre du la4 émis par la flûte Figure 4 : spectre du la4 restitué après passage par un bouchon en mousse Figure 5 : spectre du la4 restitué après passage par un bouchon moulé en silicone

ANNEXE À RENDRE AVEC LA COPIE Exercice 1 : Tableau à compléter Type d'onde utilisée par Capteur le capteur : mécanique / électromagnétique Radar Capteurs à ultrasons Capteur laser (LIDAR)......... Points forts Longue portée, robustesse face aux conditions météorologiques, bonne performance de détection. Réalisation simple, coût abordable traitement simple des données. Longue portée, grande précision, bonne résolution, coût accessible. Points faibles Pollution électromagnétique, coût relativement élevé, encombrement, interférences électromagnétiques. Précision de détection sujette à la température, sensibilité aux conditions météorologiques. Dérèglements fréquents, grande sensibilité aux conditions météorologiques, interférences. Fonctionnement de l'émetteur du radar de recul