EXPÉRIENCE 5 ONDES STATIONNAIRES ET VITESSE DU SON f =

EXPÉRIENCE 5
MATÉRIEL
Tube gradué muni d'un haut-parleur
Générateur de fréquence BK Precision
Sonomètre Extech Instruments
MONTAGE
Vous disposez d'un tube fermé à ses deux extrémités. À
l'une des extrémités est fixé un petit haut-parleur et une
ouverture est pratiquée dans la paroi afin de pouvoir y
introduire le microphone du sonomètre, appareil qui servira
à mesurer l'intensité sonore. L'autre extrémité est mobile;
vous pouvez donc ajuster la longueur du tube.
Le fait que le tube soit fermé aux deux extrémités fait qu’il
se comporte comme s’il était ouvert aux deux extrémités,
c'est-à-dire qu’il comporte un nombre entier de ventres
plutôt qu’un nombre demi-entier. L’équation qui décrit le
comportement des ondes sonores est donc : f n = 2nvL .
ONDES STATIONNAIRES ET VITESSE DU SON
Le haut-parleur doit être branché directement au générateur de
fréquence (ne pas passer par l’amplificateur qui sera utile à la
partie II).
Ajustement du sonomètre
Le sonomètre permet de mesurer le niveau
sonore en décibels du son capté par son
micro. Utilisez initialement l'échelle
d'intensité de 100 dB. Placez les deux
autres boutons à S et à C. Si vous devez
réduire la sensibilité au cours des
manipulations parce que l’aiguille atteint
la limite physique, il faudrait alors choisir
le mode 110 dB (seuil de sensibilité plus élevé, donc
dépassement de l’échelle moins probable). À l’inverse, si
l’aiguille n’atteint jamais la zone verte (où la précision de la
mesure est optimale), réduisez le seuil de sensibilité.
MANIPULATIONS
Choisissez une fréquence d’environ 2 000 Hz. Introduisez le
microphone du sonomètre dans l'ouverture du tube à
l’extrémité fixe. Déplacez ensuite l'extrémité mobile d’un bout
à l’autre du tuyau. Remarquez, autant à l'oreille qu'à l'aide du
sonomètre, qu'il y a des longueurs assez précises du tube pour
lesquelles le son est plus intense. Ce sont les longueurs qui
correspondent aux différents harmoniques.
Ce ne sont pas toutes les fréquences qui peuvent produire
une onde sonore stationnaire à l'intérieur d'un tube d'une
longueur donnée (voir les schémas de la section 3.7 du
manuel). Seulement certains modes de vibrations (ou
harmoniques) produiront par résonance un son d'une plus
grande intensité. L'air que contient le tube entre alors en
résonance.
Ajustement du générateur de fréquence
Après voir mis l'appareil sous
tension (Power), vous devez
choisir l'échelle de fréquence la
plus petite vous permettant
d’atteindre la fréquence désirée
(par exemple l’échelle 5K pour
atteindre 2000 Hz) ainsi qu’une
forme d'onde sinusoïdale (~). La
fréquence s'ajuste à l'aide des
deux boutons Coarse et Fine (il y a un petit délai entre
l'ajustement de la fréquence et son affichage). L'intensité du
signal s'ajuste avec le bouton Output Level. Tous les autres
interrupteurs doivent être à « Off ».
Si vous n’observez pas sur le sonomètre ces augmentation
d’intensité localisées, augmentez l'intensité de la source
(bouton OUTPUT) et/ou augmentez la sensibilité du
sonomètre (< 100 dB).
À l’inverse, si l'aiguille atteint la limite supérieure de son
mouvement, abaissez quelque peu l'intensité de la source. Si
ça ne suffit pas, réduisez également la sensibilité du sonomètre
en augmentant le seuil (> 100 dB). Vous devrez aussi réajuster
la fréquence à l'occasion afin de la maintenir à la valeur
sélectionnée.
Détermination de la longueur d'onde
Maintenez la fréquence à 2 000 Hz et, à partir d'une position
proche de l'extrémité fixe, allongez le tube (déplacez le
bouchon) et notez les 5 premières longueurs pour lesquelles le
sonomètre vous donne un maximum d’intensité. Ce sont les
valeurs de longueur qui produisent les 5 premières
harmoniques.
Répétez ces mesures pour une fréquence d’environ 1 000 Hz.
Présentez vos mesures dans le tableau suggéré et déduisez-en
la valeur de la longueur d'onde. Des graphiques permettront de
déterminer la vitesse du son pour les deux situations.
Déterminez si le phénomène justifie une droite passant par
l’origine et faites votre graphique en conséquence le cas
échéant. Analysez la pente du graphique pour en retirer
l’information de la vitesse du son.
La vitesse du son étant liée à la température de la pièce,
relevez la température du la pièce grâce au thermomètre
disponible (c’est la valeur de référence).
T=
±
Tableau 1 : Les cinq premières harmoniques d’un tuyau
fermé-fermé pour une fréquence de 2 000 Hz
Mode de
vibration
(n)
1
2
3
4
5
Longueur
m
±
Tableau 2 : Les cinq premières harmoniques d’un tuyau
fermé-fermé pour une fréquence de 1 000 Hz
Mode de
vibration
(n)
1
2
3
4
5
Longueur
m
±
ANALYSE / À REMETTRE
Tableaux et graphique appropriés (un seul graphique
peut contenir les deux séries de données)
Détermination de la vitesse de l’onde sonore (et de son
incertitude) à partir de la pente des graphiques (2 cas
distincts).
Détermination de la vitesse du son à partir de la
température de la pièce (valeur de référence).
Calculez l’écart expérimental des 2 valeurs
expérimentales avec la valeur de référence.
Discussion sur les résultats/écarts obtenus (≈½page)