PC - TP Mesure de vitesse par décalage Doppler - e-phyz

PC - TP Mesure de vitesse par décalage Doppler
Objectif expérimental
Déterminer la vitesse d’une voiture
Capacités travaillées
◮ Mesurer une fréquence par comparaison avec une fréquence connue voisine, en utilisant une détection
chrone ≫ (PC) ;
◮ Réaliser une détection
mesure (PC).
≪
syn-
synchrone ≫ élémentaire à l’aide d’un multiplieur et d’un passe-bas simple adapté à la
◮ Décrire et mettre en œuvre un protocole de détection
Doppler
1
≪
≪
synchrone ≫ pour mesurer une vitesse par décalage
Principe de l’effet Doppler
L’effet Doppler ou effet Doppler-Fizeau est le décalage de fréquence d’une onde (onde mécanique, acoustique,
électromagnétique, etc) entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l’émetteur
et le récepteur varie au cours du temps. Si on désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d’effet
Doppler, on réserve le terme ≪ effet Doppler-Fizeau ≫ aux ondes électromagnétiques.
L’effet Doppler se manifeste par exemple pour les ondes sonores dans la perception de la hauteur du son d’un moteur
de voiture, ou de la sirène d’un véhicule d’urgence. Le son est différent selon que l’on est dans le véhicule (l’émetteur est
immobile par rapport au récepteur), que le véhicule se rapproche du récepteur (le son est plus aigu) ou qu’il s’éloigne
(le son est plus grave). ≪ animation Doppler ≫
→
e par
Un émetteur d’onde sinusoı̈dale (sonore ou lumineuse) se déplace selon un axe (Ox) à une vitesse −
v−→ = v −
em
em x
rapport à un récepteur fixe situé au point O d’un référentiel R0 . L’émetteur émet une onde de fréquence fem qui se
propage avec une célérité vonde ≫ |vem |.
Figure 1 – Déplacement de l’émetteur dans le référentiel R0
1.
Soit f0 la fréquence de l’onde perçue par le récepteur placé en O dans R0 . Etablir, par une méthode de
votre choix, l’expression :
f0 =
2.
fem
vem
1−
vonde
A l’aide du fichier doppler manuel.py disponible sur www.ephyz.fr/pc meca.php, analyser le fichier son
voiture doppler.wav et estimer la vitesse de la voiture.
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PC - TP Mesure de vitesse par décalage Doppler
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2
Emission et réception d’un signal ultrasonore
On dispose d’un émetteur d’ondes ultrasonores, d’un récepteur, et d’un boitier d’analyse de décalage Doppler.
L’émetteur est constitué d’un cristal piezzoélectrique de fréquence de résonance 40 kHz
3.
Emettre et recevoir et visualiser des signaux ultrasonores :
— Alimenter directement l’émetteur à l’aide du GBF.
— Visualiser sur l’oscilloscope le signal reçu par le récepteur
— Observer ces mêmes signaux sur le logiciel Oscillo5
3
Mise en évidence de l’effet Doppler
Figure 2 – Boitier d’analyse de décalage Doppler
4.
Utiliser le
≪
boitier Doppler ≫ :
— Alimenter le boitier avec l’alimentation −15 V, 0 V, +15 V
— Positionner le signal émetteur et le signal récepteur (vous aurez besoin d’un adapteur BNC en T pour le
signal émetteur)
— Visualiser sur Oscillo5 le signal ≪ récepteur amplifié ≫ ainsi que la ≪ fréquence Doppler ≫ (en l’absence
de mouvement relatif entre l’émetteur et le récepteur, aucun signal significatif n’est observé aux bornes
≪ fréquence Doppler ≫)
— Utiliser un déclenchement en mode monocoup pour visualiser le signal Doppler
5.
6.
Proposer un protocole modélisant le fonctionnement d’un radar automobile.
Montrer que le décalage en fréquence entre l’onde émise par l’émetteur d’ondes ultrasonores et l’onde
reçue par le récepteur vérifie
2fem vvoiture
∆f = ±
vonde
7.
Prévoir l’ordre de grandeur du décalage en fréquence ∆f observable lors du déplacement de la voiture
8.
Régler les paramètres de l’acquisition pour observer et mesurer sur Oscillo5 un signal de fréquence ∆f .
9.
Déterminer la vitesse de la voiture par analyse d’un signal
≪
Doppler ≫.
PC - TP Mesure de vitesse par décalage Doppler
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Réalisation d’une
≪
3
détection synchrone ≫
Le boitier d’analyse de décalage Doppler réalise en fait une détection synchrone.
10.
A l’aide d’un multiplieur et d’un filtre adapté à la mesure, retrouver le
précédemment avec le boitier.
≪
signal Doppler
11. Rédiger une synthèse expliquant du fonctionnement du boitier d’analyse de décalage Doppler.
≫
obtenu