TP2 Détermination de la vitesse du son Objectifs : ˆ Observer la double périodicité d'une onde progressive sinusoïdale. ˆ Mesurer la longueur d'onde, la période et la célérité d'une onde sinusoïdale. Matériel : ˆ banc acoustique et supports, ˆ 1 émetteur US, ˆ 2 récepteur US, ˆ 1 oscilloscope numérique RIGOL, ˆ une carte électronique permettant l'émission d'ondes ultrasonores de fréquence d'environ 40 MHz en régime continu ou pulsé. Cette carte est alimentée par une alimentation continue 0-15V et reliée à l'émetteur US, ˆ un écran en plexiglas. Les ultrasons sont une thématique actuelle de recherche, notamment pour le diagnostic et la thérapie médicale. On donne ci-dessous, à titre illustratif, un exemple de développements actuels (2010) de cette technologie. Microbulles et ultrasons pour le traitement du cancer Les chercheurs du laboratoire De la maturation à la dégénérescence (Université François Rabelais Tours- CNRS) ont eu l'idée d'utiliser des microbulles gazeuses qui servent actuellement à l'imagerie médicale pour détecter une tumeur et en déterminer la nature par exemple, pour véhiculer des molécules médicamenteuses. Après injection, ces bulles de quelques microns circulent dans le sang du patient. Grâce à un système d'ultrasons, il est possible de les faire éclater au moment où elles entrent dans la zone que l'on veut traiter. On pourrait ainsi libérer des substances actives sur des cellules malades, en limitant le recours aux méthodes actuelles (chimiothérapie...). Les résultats actuels démontrent aussi que les bulles jouent un rôle important dans l'incorporation de molécules anticancéreuses (doxorubucine) dans la cellule en favorisant une meilleure interaction entre la membrane de la cellule et les principes actifs. Ce travail est réalisé dans le cadre d'une collaboration européenne qui réunit 15 partenaires et est dotée d'un budget de 15 millions d'euros. http://www.cnrs.fr/insis/recherche/faits-marquants/2010/exploration-parultrasons.htm La première chose à connaître pour l'utilisation de ces ondes est leur célérité dans l'air. C'est l'objectif de ce TP. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes Année 2015-2016 1/5
I- Première mesure de la célérité du son dans l'air : émission pulsée d'ultra-sons Réglage du générateur d'ultra-son en mode pulsé : Réaliser : Alimenter le générateur d'ultra-son en 0-12V continu et choisissez l'émission d'ultra-sons sous forme de salves. Relier le générateur US à l'émetteur US. Observation des signaux à l'oscilloscope : Placez l'émetteur et un récepteur face à face sur le banc à ultra-son. Observez le signal émis en voie 1 de l'oscilloscope. Réglez le déclenchement de l'oscilloscope ( trigger ) sur la voie 1. Ajuster la sensibilité horizontale et verticale de l'oscilloscope pour observer de façon optimale le signal. Connectez le récepteur à la voie 2 de l'oscilloscope. Réglez la sensibilité horizontale (temporelle) pour observer sur l'écran à la fois le signal émis et le signal reçu. Mettre en oeuvre un protocole Appel 1 : Appelez le professeur pour faire vérier votre montage et vos réglages. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes Année 2015-2016 2/5
Proposer un protocole permettant la détermination de la vitesse d'une onde ultrasonore. Appel 2 : Appelez le professeur pour faire vérier votre protocole. Proposer une stratégie pour répondre à une problématique. choisir, concevoir ou justier un protocole expérimental. Communiquer présenter son travail de manière synthétique, organisée, cohérente et compréhensible. Utiliser un vocabulaire scientique adapté. Mettre en oeuvre le protocole et déterminez la vitesse du son. Déterminer les sources d'erreurs principales de la mesure (distinguez les sources d'erreurs aléatoires et les sources d'erreurs systématiques). Estimer les incertitudes de type B sur les grandeurs mesurées. Comparer les incertitudes associées à chaque source d'erreur. On utilisera la relation suivante donnant l'incertitude de type B sur la détermination de la vitesse du son (incertitude-type composée) : Valider : exploiter les observations, des mesures en identiant les sources d'erreurs et en estimant les incertitudes. v v = t t + d d Déterminer l'intervalle de conance à 95% pour la vitesse des ultrasons mesurée. Commentez. analyser les résultats de manière critique. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes Année 2015-2016 3/5
II- II.1 Deuxième mesure de la célérité du son dans l'air : émission continue d'ultra-sons Préparation A quelle célérité se déplace une onde de fréquence 1 khz et de longueur d'onde 3 cm? Tracer, pour une onde sinusoïdale y(x, t), sur deux graphiques diérents, les évolutions spatiales y(x, t 0 ) et temporelles y(x 0, t) de l'onde. Indiquer où on peut lire la longueur d'onde et la période. En deux points de l'espace éloignés d'une distance d, on observe que l'onde vibre en phase. Que peut-on dire sur la distance d, par rapport à la longueur d'onde λ? II.2 Mesures de la vitesse du son en mode continu On utilise pour cette nouvelle expérience un émetteur US et 2 récepteurs. Réaliser : Sélectionner le mode continu sur le générateur d'ultrason. Placer l'émetteur face aux deux récepteurs. Observer en voie 1 de l'oscilloscope le signal reçu par le premier récepteur et en voie 2 de l'oscilloscope le signal reçu par le deuxième récepteur. Ajuster le potentiomètre de l'émetteur jusqu'à obtenir une amplitude de signal maximal sur les récepteurs. Placer les deux récepteurs tels que les deux ondes reçues soient en phase. Appel 3 : Appelez le professeur pour faire vérier votre montage et vos réglages. Mettre en oeuvre un protocole L'émetteur reste xe. Que se passe-t-il lorsque l'on déplace un récepteur par rapport à l'autre? Lorsque les deux ondes se retrouvent en phase, de quelle distance caractéristique a-t-on déplacé le récepteur? Utilisez la relation reliant la longueur d'onde λ, la période T de l'onde acoustique émise et la célérité de l'onde v pour déterminer expérimentalement la vitesse du son en mode continu. Faire un schéma du dispositif expérimental et décrire le protocole utilisé. Comparez cette mesure à celle réalisée en mode pulsé. choisir, concevoir ou justier un protocole expérimental. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes Année 2015-2016 4/5
III- Application : principe du sonar L'écholocation est une technique biologique de situation spatiale d'un objet par l'utilisation des ondes sonores ou ultrasonores. Certaines chauves-souris sont, parmi d'autres espèces pourvues d'oreilles qui transmettent au cerveau les réexions d'ondes sonores ou ultrasonores émises par la bouche ou le nez de l'animal. C'est notamment la durée mise par les ondes pour revenir à l'animal après avoir été émises par lui qui permet à ce dernier d'apprécier la distance des objets. Matériel modélisant les organes de la chauve-souris ou l'insecte chassé. Bouche ou nez de la chauve-souris Oreille de la chauvesouris Cerveau de la chauvesouris Insecte chassé par la chauve-souris Remplir le tableau ci-dessus et proposer un protocole expérimental permettant de réaliser une expérience modélisant le système d'écholocation d'une chauve-souris repérant un insecte situé à 20 cm de la chauve souris. Mettre en oeuvre le protocole expérimental. Déterminer expérimentalement la distance chauve-souris - insecte en utilisant le principe de l'écholocation. Comparer cette distance avec celle mesurée avec les graduations du banc. choisir, concevoir un protocole expérimental. Valider analyser des résultats de façon critique. TSI 1 C. Boyer Vion Lycée du Hainaut - Valenciennes Année 2015-2016 5/5