04/10/00 1ère S - cours

Déc. 2015
TS
Devoir de physique–chimie n°3 (1 h)
NOM : ……………………………
FAIRE DES PHRASES POUR REPONDRE – CALCULATRICE AUTORISEE
PHYSIQUE : CARACTERISTIQUES DES ONDES
Partie A : Les ultrasons au service du nettoyage
/20,0
/10
On trouve dans le commerce des appareils de nettoyage utilisant les ultrasons. Le document 1 décrit la notice d’un exemple
d’appareil de ce type.
Document 1 : notice simplifiée d’un appareil de nettoyage à ultrasons
Descriptif :
– réservoir amovible en acier inoxydable
– fréquence des ultrasons 41,5 kHz à
2%
– nettoyage facile des objets immergés dans l’eau sous l’effet des ultrasons
– utiliser de préférence de l’eau fraichement tirée du robinet.
Document 2 : comment cela fonctionne ?
Le bain à ultrasons est composé d’une cuve contenant de l’eau dans lequel sont plongées les pièces à nettoyer. Sur les parois,
un transducteur à ultrasons génère des phases successives de compression et dépression dans le liquide qui se propagent de
proche en proche dans le liquide. Au passage des ultrasons, des microbulles apparaissent, on appelle ce phénomène la «
cavitation acoustique ». L’implosion1 de ces bulles, pendant la phase de compression, crée des turbulences qui détachent les
impuretés de la pièce à nettoyer.
1
Implosion : écrasement brutal d’un corps creux sous l’effet d’une pression extérieure supérieure à la pression intérieure.
Données :
célérité des ultrasons
dans l’air : v = 340 m.s−1 à 25 °C.
dans l’eau : v’ = 1,5.103 m.s−1 à 25 °C.
On souhaite étudier les ultrasons émis par l’appareil décrit
dans le document 1. Pour cela, on isole l’émetteur E à
ultrasons de cet appareil et on visualise le signal émis à
l’aide d’un capteur relié à la voie 1 d’un oscilloscope. Les
mesures sont faites dans l’air à la température de 20 °C. On
obtient le signal uE ci–contre :
0
50
100
150
t (µs)
A.1. Qu’est-ce qu’une onde mécanique ?
De quel type sont les ondes mécaniques ultrasonores (justifier) ?
A.2. Déterminer la période T du signal représenté sur la figure 1.
A.3. En déduire la fréquence f des ultrasons. Calculer l’écart relatif avec la valeur de référence.
A.4. On souhaite déterminer la longueur d’onde des ultrasons. Pour cela, on visualise à la fois le signal émis par l’appareil
et appliqué sur la voie 1 d’un oscilloscope et le signal u R reçu par un récepteur R à ultrasons connecté sur la voie 2 de
cet oscilloscope. On part d’une situation où les signaux délivrés par l’émetteur E et par le récepteur R placé en face sont
en phase. On s’aperçoit que lorsque l’on éloigne le récepteur R tout en restant en face de l’émetteur fixe E, la courbe
qui correspond au récepteur se décale vers la droite. Les signaux obtenus sont représentés sur la figure 2 lorsque les
courbes reviennent pour la cinquième fois en phase. On détermine la distance dont on a déplacé le récepteur R lorsque
l’on obtient la figure 2, et on mesure 4,0 cm.
A.4.1. Définir la longueur d’onde
A.4.2. Déterminer la longueur d’onde à partir de
l’expérience précédente.
Que peut-on faire pour augmenter la précision
de la mesure ?
A.4.3. Calculer la célérité v des ondes ultrasonores
dans l’air.
A.5. En utilisation normale de l’appareil, la longueur
d'onde des ultrasons est différente de la valeur
obtenue à la question A.4.2. et vaut environ 3,5 cm.
Expliquer cette différence.
0
50
100
150
t (µs)
Partie B : La communication chez les baleines
/10
Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs "chants". Sans cordes vocales, elles émettent des sons par
leur larynx et leur évent. Ces messages peuvent, pour les grandes espèces, être perçus à plusieurs centaines de kilomètres.
Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur dans un couloir
d'une hauteur de quelques centaines de mètres, mais aussi à une certaine distance l'une de l'autre.
À partir des documents et de vos connaissances :
B.1. Evaluer la profondeur du couloir de communication ;
B.2. Evaluer la distance maximale entre deux baleines pour qu'elles puissent communiquer ;
B.3. Calculer le niveau sonore correspondant à la somme du chant d’une baleine et du mugissement d’un
rorqual commun placés côte à côte.
L'ensemble de l'argumentation et des calculs doivent apparaitre de manière détaillée.
Document 1 : LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d'ondes sonores
Dans les océans et dans certaines conditions, une onde sonore qui se dirige vers le haut est ramenée vers le bas dès qu'elle
parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus grande ; à l'inverse, elle est ramenée vers le haut quand
elle se dirige vers le bas dès qu'elle y rencontre des
couches inférieures où la vitesse du son est supérieure.
Quand une zone respecte ces critères, on parle de SOFAR.
Ce couloir SOFAR agit comme un guide d'ondes sonores
comme illustré ci–contre.
Sans ce guide d’onde, les ondes sonores se dispersent et s’atténuent très rapidement au bout de quelques kilomètres.
Document 2 : "La voix et l'oreille" des mammifères marins
Les cétacés produisent des émissions sonores dans une très large bande de fréquence, entre 10 Hz et 150 kHz environ. Les
sons produits peuvent être de type bref (clics, tics, bourdons,...) ou continu (sifflements, chants, mugissements).
Quelques émissions sonores de cétacés :
Fréquence moyenne
Niveau d'intensité sonore
Seuil
d'émission
moyen à l'émission
d'audibilité*
Baleine (chant)
4000 Hz
165 dB
50 dB
Rorqual commun (mugissement)
350 Hz
160 dB
40 dB
*Le seuil d'audibilité correspond au niveau d'intensité sonore minimal perceptible par l'animal.
D'après un extrait de Richardson et al, 1995, Marine mammals and noise.
Document 3 : "La voix et l'oreille" des humains
Niveau sonore (en dB)
30 à 60
Exemples
Sensation auditive
80 à 90
Milieux industriels, tondeuse
Conversation normale
à gazon
Gérants, acouphènes possibles
confortable
si exposition prolongée
100 à 110
130 et plus
Marteau–piqueur,
discothèque
Très incommodant,
acouphènes possibles
Coup de fusil, concert
amplifié, avion au décollage
Douloureux, risque de perte
d’audition
Les niveaux sonores ne s’additionnent pas, ce sont les intensités sonores qui s’ajoutent.
Intensité sonore minimale audible humain I0 = 1,00.10–12 W.m–2
Document 4 : Cartographie de la vitesse du son en
fonction de la profondeur dans l'océan
Document 5 : Absorption acoustique de l’eau de mer
CORRECTION DS3 :
/20,0
Partie A
/1,5+1,5+2 + 1+1,5+1,5 + 1 = 10,0
A.1. Une onde mécanique est la propagation d’une perturbation locale de la matière sans transport global de matière mais
avec transport global d’énergie.
Les ondes ultrasonores sont des ondes longitudinales car la déformation locale (compression/dilatation de la matière)
est parallèle à la direction de propagation.
A.2. On mesure plusieurs périodes T : 7.T mesure 8,3 cm
150 ms mesure 7,4 cm
A.3. f =
1
1
=
= 42.103 Hz = 42 kHz
T 24.10–6
Ecart relatif =
donc 7T x 7,4 = 150 x 8,3
T=
150x8,3
= 24 µs
7x7,4
fexpérimentale – fthéorique
42 – 41,5
x100 =
x 100 = 1,2 %
fthéorique
41,5
A.4.1. La longueur d’onde λ est la longueur que parcourt l’onde pendant une période T à la vitesse de propagation v de l’onde.
A.4.2. Quand on déplace le récepteur, à chaque fois que les signaux sont en phase, le récepteur a été déplacé d’une longueur
d’onde de plus. Ainsi, si on le déplace de 5 longueurs d’onde, les signaux vont être en phase cinq fois.
5. = 4,0 cm
=
4,0
= 0,80 cm = 8,0 mm
5
Pour augmenter la précision de la mesure, il faudrait mesurer plus de longueur d’onde (au moins une dizaine).
A.4.3. v =
T
=
8,0.10–3
= 3,3.102 m.s–1
24.10–6
A.5. La manipulation a été faite dans l’air. Or en utilisation normale, les ultrasons sont émis dans l’eau.
Ainsi = veau.T = v’.T = 1,5.103 x 24.10–6 = 3,6.10–2 m = 3,6 cm (valeur proche de l’énoncé
3,5 cm).
Partie B
/3+4+3 = 10
B.1. Pour que le son se propage sur une grande distance, il est nécessaire de se trouver dans un couloir SOFAR (d’après le
document 1). Pour être dans un tel couloir, il est nécessaire de se trouver dans une zone où la vitesse du son est
inférieure à la vitesse dans les zones situées à des profondeurs inférieures et supérieures. Cela correspond donc à une
zone centrée sur une profondeur de 1,2 km environ d’après le document 4.
La profondeur du couloir de communication des baleines est à 1,2 km environ.
B.2. Les baleines émettent des sons à une fréquence moyenne de 4000 Hz a un niveau d’intensité sonore de 165 dB d’après le
document 2.
De plus, les baleines ont un seuil d’audibilité de 50 dB d’après le document 2.
A cette fréquence, l’absorption est de 0,2 dB.km– 1 d’après le document 5.
Ainsi il convient de calculer la distance au bout de laquelle un son émis à 165 dB s’atténue pour arriver à 50 dB avec une
atténuation de 0,2 dB.km–1.
1 km correspond à une diminution de 0,2 dB
Une distance d correspond à une diminution de 165–50 = 115 dB
On obtient donc d =
115
= 5,8.102 km
0,2
580 km.
Les baleines peuvent communiquer jusqu’à une distance de 580 km environ.
B.3. Les niveaux sonores ne s’additionnent pas, il faut additionner les intensités sonores.
Il convient donc de calculer les intensités sonores correspondant aux niveaux sonores de la baleine et du rorqual commun.
On a ainsi L = 10.Log
I
I0
LBaleine
L
I
= Log
10
I0
Log
165
I
L
=
I0 10
L
I
= 1010
I0
LRorqual
10
On obtient IBaleine = I0.10 10 = 1,00.10–12 x 10 10 = 3,16.104 W.m–2 et IRorqual = I0.10
L
I = I0.1010
On additionne les intensités sonores : Itotal = IBaleine + IRorqual = 3,16.104 + 1,00.104 = 4,16.104 W.m–2
Le niveau sonore résultant est Ltotal = 10.Log
I
4,16.104
= 10 x Log
= 166 dB
I0
1,00.10–12
Ainsi un son de 165 dB plus un son de 160 dB forme un son de 166 dB.
160
= 1,00.10–12 x 10 10 = 1,00.104 W.m–2