04/10/00 1ère S - cours

TS
26/11/13
Devoir de physique–chimie n°3 (1H)
Nom:.......………..................………………….…
LES EXERCICES SONT INDEPENDANTS – CALCULATRICE
INTERDITE
1
1
12
8
AIDE AUX CALCULS :
= 5,0.10–2 ;
= 0,20 ;
= 1,5 ;
= 0,33
20
5,0
8
12
PHYSIQUE :
LES ONDES
/20
Exercice 1 : LES DAUPHINS
/10
Beaucoup d'animaux tels que les dauphins, les éléphants, et les chauve–souris utilisent des "sons" pour communiquer entre
eux, chasser leur proie ou pour se localiser. Le cas des dauphins est particulièrement intéressant étant donné leur capacité à
utiliser ce mode de "langage" presque à l'égal des humains comme le disent certains scientifiques. Il est aussi capable
d'émettre et de capter des ultrasons lui permettant de se localiser par écho grâce à un sonar biologique.
Pour étudier expérimentalement les ultrasons produits par les dauphins, on dispose d'un émetteur et de deux récepteurs à
ultrasons que l'on place dans un récipient rempli d'eau. L'émetteur génère une onde ultrasonore progressive et sinusoïdale.
Un oscilloscope permet d'enregistrer les signaux détectés par chaque récepteur séparé d'une distance d= 12 mm, le récepteur
n°1 étant le plus proche de l'émetteur.
Figure 1 : récepteur 1 et récepteur 2
On obtient l'oscillogramme de la figure 1 ci–contre.
1) Déterminer la fréquence des ondes ultrasonores
émises.
2) Quel est le retard que présente la détection des
ondes au niveau du récepteur 2 par rapport au
récepteur 1, sachant que ce retard est inférieur à la
périodicité temporelle.
En déduire la célérité des ondes ultrasonores dans
l'eau.
3) Définir puis calculer la longueur d'onde des ondes ultrasonores dans l'eau.
Les dauphins n'émettent pas des ultrasons en continu mais des salves ultrasonores très brèves et puissantes appelées "clic".
Ces clics sont émis par séries formant un large faisceau appelé "trains de clics". La durée d'un train de clics et le nombre de
clics contenus dans le train dépendent de leur fonction: localisation du dauphin ou recherche de nourriture.
On suppose que les clics d'un même train sont émis à intervalles de temps réguliers et ont la même fréquence.
La figure 2 est un exemple de clic. La figure 3
représente le train de clics correspondant où
les clics sont représentés par des traits
verticaux.
Figure 2 : un clic
4) Comparer la durée totale d'un clic et la
durée entre deux clics d'un train.
5) Justifier la représentation d'un train de
clics (figure 3).
Afin de se localiser, le dauphin émet d'autres clics de fréquence 50 kHz et de portée de plusieurs centaines de mètres. Ces
clics, espacés de 220 ms se réfléchissent sur le fond marin ou les rochers et sont captés à leur retour par le dauphin. La
perception du retard de l'écho lui fournit des informations concernant l'aspect du fond marin ou la présence d'une masse
importante (bateau, nourriture,..). La célérité des ultrasons dans l'eau salée à 10 m de profondeur est de 1530 m.s–1.
La figure 4 montre, pour un même train, les clics émis et reçus par écho.
6) Déterminer l'intervalle de temps t séparant l'émission d'un clic et la réception de son écho, sachant que ce retard est
inférieur à la durée entre deux clics.
7) En déduire la distance H à laquelle se trouve le dauphin du fond marin.
Figure 3 : train de clics
Figure 4 : clics émis
et reçus
Exercice 2 : GROUPE DE MUSIQUE
/10
Un groupe de musique composé d'un chanteur, de deux guitaristes, d'un violoniste, d'un bassiste et d'un batteur se prépare à
un enregistrement en studio. Lors de la " balance" (moment préalable à un enregistrement ou à un concert) l'ingénieur du
son réalise séparément pour chaque instrument des enregistrements à l'aide de micros reliés à un système informatisé. La
tension électrique notée UAM en mV, détectée au niveau de l'interface informatique, est proportionnelle à la pression
acoustique du son ou encore à l'intensité sonore. Cette tension en fonction du temps est représentée sur les enregistrements
des documents 1 à 3.
L'enregistrement informatisé d'une note jouée par l'une des guitares du groupe est représenté par le document 1.
1) Le son joué par la guitare comporte–t–il des harmoniques ? Justifier.
2) À partir du document 1, déterminer la période de la note jouée par la guitare. En déduire sa fréquence.
Un son de basse (document 2) a été enregistré dans les mêmes conditions que celui de la guitare (document1).
3) Le son émis par la guitare et celui émis par la basse ont–ils la même hauteur ? Justifier.
4) A quoi reconnaît–on sur les documents que ces deux instruments n'ont pas le même timbre ?
5) La note émise par le violon (document 3) est–elle plus ou moins aiguë que celle émise par la guitare ? Justifier.
L'analyse spectrale d'une autre note émise par le violon donne le spectre du document 4.
6) Quelle est la fréquence du fondamental ?
7) Quelles sont les fréquences des harmoniques présentes dans ce spectre ?
I
On rappelle que le niveau sonore L est lié à l'intensité sonore I par la relation : L = 10.log I avec I0 = 10–12 W.m–2
0
8) À quoi correspond l'intensité I0 ?
La première guitare joue un premier thème. On enregistre son niveau sonore moyen LG qui est de 63 dBA (décibel
acoustique). Trois autres guitares se joignent à la première pour jouer à l'unisson (c'est à dire strictement le même
enchaînement de notes) avec le même niveau sonore (63 dBA).
9) Donner la formule littérale permettant de calculer l'augmentation du niveau sonore moyen lorsque les 4 guitares
jouent simultanément, sachant que l'intensité sonore totale est la somme des intensités sonores des 4 instruments ?
10) Donner la formule littérale donnant l'intensité sonore I en fonction du niveau sonore ?
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
Document 1 :
enregistrement numérique d'un son de la guitare.
1
2
3
4
5
6
7
8
Document 2 :
enregistrement numérique d'un son de la basse.
9
4
5
6
7
8
9
Document 3 :
enregistrement numérique d'un son du violon
0
0
3
2
500
1000
1500
2000
0
2500
3000
3500
Document 4 :
spectre de fréquences d’un son de violon.
4000
Correction Devoir de physique–chimie n°3
PHYSIQUE :
LES ONDES
/20
Exercice 1 : LES DAUPHINS
/1,5+1,5+2+1+1+1+2 = 10
1) 3T = 60 µs donc T = 20 µs
1
1
f= =
= 5,0.10–2.106 = 5,0.104 Hz = 50 kHz
T 20.10–6
3T
2) voir figure
= 8,0 – 0 = 8,0 µs
d 12.10–3
v= =
= 1,5.103 m.s–1
8,0.10–6
3) La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une durée égale à la période.
= v.T = 1,5.103 20.10–6 = 30.10–3 m = 3,0.10–2 m = 3,0 cm
6 t2
4) Durée totale d'un clic : t1 = 75 – 15 = 60 µs
360 – 60 300
Durée entre deux clics d'un train : t2 =
=
= 50,0 ms
6
6
5) Sur la fig. 3, un clic est représenté par un simple trait vertical
Ceci est dû à l'échelle de cette figure : elle ne permet pas de visualiser
simultanément la durée entre deux clics d'un train (50 ms) et la durée
d'un simple clic (60 µs)
6) t = 420 – 220 = 200 ms = 0,200 s
7) Le clic est émis, il effectue un aller vers le fond, puis il revient vers le dauphin. L'onde ultrasonore parcourt la distance 2H
pendant la durée t.
2H
v. t 1530 x 0,200
v=
donc H =
=
= 1530 x 0,100 = 153 m
2
2
t
Exercice 2 : GROUPE DE MUSIQUE
/1+1,5+1+1+1+0,5+0,5+1+1,5+1 = 10
1) La tension qui correspond au son de la guitare n’est pas
une sinusoïde simple. Le son comporte donc des
harmoniques.
T
2) T = 6,0 – 1,0 = 5,0 ms
f=
1
1
=
= 0,20.103 = 2,0.102 Hz
T 5,0.10–3
3) La hauteur d’un son correspond à la fréquence du mode
fondamentale. La tension présentée sur le document 2
possède approximativement la même période, donc la
même fréquence que celle de la guitare. La guitare et la
basse jouent des sons de même hauteur.
0
1
3
2
4
5
6
7
8
9
4) Les deux tensions n’ont pas la même allure, on en déduit que les sons n’ont pas le même timbre.
5) T3(violon) < T2(guitare) donc f3(violon) > f2(guitare). La note émise par le violon est plus aiguë que celle de la guitare.
6) La fréquence la plus basse du spectre correspond à celle du fondamental. Elle vaut donc 500 Hz.
7) Le spectre contient les harmoniques de fréquence 1000 Hz, 1500 Hz, 2500 Hz, 3000 Hz.
8) I0 est l’intensité sonore la plus faible que peut détecter l’oreille humaine moyenne.
IG
I0
I4G
4.IG
IG
L4G = 10.log I = 10.log I
= 10.log 4 + 10.log I = 10.log 4 + LG = LG + 10.log 4
0
0
0
L'augmentation du niveau sonore moyen est L4G – LG = 10.log 4
9)
LG = 10.log
10)
LG = 10.log
IG
I0
log
On a alors : 10
donc
( ) = 10
IG
I0
LG
10
IG
LG
= log I
10
0
L
I
soit G = 1010
I0
G
soit log
IG
LG
I0 = 10
LG
et on obtient : IG =I0.1010