JE SAISComment fonctionne un haut-parleur : je sais interpréter l’expérience des rails de Laplace
Un barreau mobile parcouru par un courant I et baignant dans un champ magnétique B subit une force F électromagnétique, qui le fait se déplacer dans notre cas vers la droite.
I, B et F forment un trièdre direct, que l’on peut retrouver avec les 3 doigts de la main droite.
La règle de la main droite permet de se représenter facilement un repère direct.
Lepouce, l'index et le majeur permettent de représenter les trois vecteurs de la base appelée couramment (i ; j ; k) ou encore (x ; y ; z). Les trois doigts forment alors un trièdre dans l'espace.
Quand on change le sens de B sans changer I, le sens de F varie.
Quand on change le sens de I sans changer B, le sens de F varie.
JE SAISInterpréter le caractère magnétique d’une bobine alimentée par un courant électrique
Dans ce cas les effets sont les mêmes que pour les rails. On peut repérer la face Nord et Sud de la bobine (à l’aide d’une boussole).
Le pôle Nord de la bobine est ici sur la gauche de la photo.
Si on approche le pôle Nord de l’aimant la bobine recule, car les deux pôle Nord se repoussent.
Si on approche le pôle Sud de l’aimant, la bobine est fortement attirée.
Avec un courant alternatif, la bobine avance d’avant en arrière.
JE SAISMettre en évidence la tension induite aux bornes d’une bobine
La tension induite apparaît dès lors qu’il y a un déplacement relatif de la bobine et de l’aimant.
Paramètre ayant un influence sur le signe et sur l’amplitude de la tension induite :
l'orientation de l’aimant, donc du champ magnétique, par rapport à la bobine ;
la vitesse de déplacement.
JE SAISComment fonctionne un microphone
Schéma du microphone dynamique :
Onde sonore ;
membrane ;
bobine mobile ;
aimant ;
signal électrique.
JE SAISDéfinir un transducteur
Signal sonore → Transducteur acousto-électrique → Signal électrique.
Signal électrique → Transducteur électro-acoustique→ Signal sonore.
BInstruments de musique
JE SAISComment fonctionne un instrument à cordes
Je sais interpréter l’expérience de la corde de Melde.
Une corde est tendue entre deux points fixes puis on la place dans des conditions de vibrations transversales.
L’expérience de la corde de Melde montre qu’une corde tendue entre deux points fixes et excitée sinusoïdalement vibre selon des fréquences particulières, appelées « modes propres de vibration ».
Pour la plus basse de ces fréquences, notée f0, on parlera de mode « fondamental » et on observera que la corde présente un fuseau : entre deux points qui ne vibrent pas (les deux extrémités, appelés « nœuds de vibration »). La corde oscille, et certains points (au milieu de la corde, appelés « ventre de vibration ») ont une vibration d’amplitude maximale.
Pour toute fréquence fn multiple de la fréquence propre, on observe à nouveau des oscillations de la corde présentant des nœuds et des ventres. Ce sont les modes harmoniques.
Hors de ces fréquences harmoniques, la corde ne répond pas à l’excitation de la source.
On dit que les fréquences propres sont quantifiées, ce qui signifie qu’elles ne prennent que certaines valeurs bien définies multiples de f0 ;
fn=n×f0 avec n un entier positif.
Deux nœuds consécutifs, comme deux ventres consécutifs, sont séparés d’une distance :
d=nL, avec L la longueur de la corde.
De plus, dans le cas de la corde de Melde, deux ventres consécutifs sont aussi séparés par une distance d égale à la moitié de la longueur d’onde de l’onde stationnaire.
d=2λ
Donc :
d=nL et d=2λ ;
d'où nL=2λ ;
donc L=n×2λ.
Remarques :
La fréquence propre correspondant au mode fondamental f0 est la fréquence de vibration libre de la corde lorsqu’elle est pincée (oscillation non entretenue).
En changeant expérimentalement la longueur L de la corde puis sa tension T et sa nature (donc sa masse linéique μ), on peut vérifier que les fréquences propres sont données par la formule :
f=2LnμT ;
ou f=2Lnv avec v la vitesse de l'onde.
Pur voir une animation sur la corde de Melde, clique ici.
JE SAISComment fonctionne un instrument à vent
Expérience : vibration d’une colonne d’air
Il se produit, à l’intérieur du tube ouvert ou fermé en ses extrémités, des réflexions contre les parois dont résulte une onde stationnaire.
Il n’y a donc pas de propagation mécanique de l’onde sonore dans le tube mais une onde stationnaire installée, présentant des ventres et des nœuds de vibration.
Comme dans le cas de la corde :
deux ventres ou deux nœuds consécutifs sont séparés d’une distance L=n×2λ ;
une extrémité fermée impose la présence d’un nœud alors qu’une extrémité ouverte correspond à un ventre de vibration.
En revanche, l’extrémité où se trouve la source sonore correspond alors à un ventre de vibration :
L=(2n+1)×2λ
JE SAISCaractériser un son
Si on enregistre un signal sonore obtenu par un instrument et qu’on le traite à l’aide d’un logiciel libre comme Audacity, on obtient une analyse spectrale de ce type.
Cette étude permet de définir la fréquence f0 du fondamental correspondant à la hauteur du son mais aussi le nombre et l’amplitude des harmoniques correspondant au timbre du son.
Le spectre de fréquence d’un son pur ne présentera qu’un seul pic à la fréquence du fondamental (hauteur du son) alors que celui d’un son complexe comportera plusieurs pics de fréquences multiples du premier pic (le fondamental) correspondant aux harmoniques du son (timbre du son).
CSons et architecture
JE SAISCe que sont les phénomènes de réflexion, d’absorption et de transmission des ondes sonores
Je sais mettre en évidence les phénomènes de réflexion, d’absorption et de transmission des ondes sonores (ou ultra-sonores).
Expérience :
Place sur une table l’émetteur E et le récepteur R d’ultra-sons face à face à une vingtaine de cm l’un de l’autre.
Branche l’émetteur aux bornes d’un générateur basse fréquence (GBF), délivrant une tension sinusoïdale d’amplitude environ 10 V et de fréquence d’environ 40 kHz.
Le récepteur est relié à l’entrée d’un oscilloscope correctement réglé pour visualiser le signal reçu.
À l’aide d’obstacles constitués de différents matériaux (mousse, plaque métallique, laine de roche, mouchoir en papier, gaze, etc.) on réalise différentes expériences de transmission et de réflexion.
Les observations faites permettent de tirer des conclusions sur les propriétés acoustiques des matériaux utilisés.
JE SAISExpliquer le phénomène de réverbération des ondes sonores dans un auditorium
L’émetteur est branché aux bornes du générateur de salves (ou placé en mode salve). On relève simultanément, à l’oscilloscope, le signal de l’émetteur E et celui du récepteur R placés l’un à coté de l’autre face à l’obstacle réfléchissant.
On peut ainsi déterminer le décalage temporel de l’onde (Δt) ayant subie une réflexion sur un obstacle placé à une distance d du système émetteur-récepteur.
Ce décalage correspond au temps de réverbération de l’onde.
On utilise le phénomène d’écho dans cette expérience.
Δt=v2d avec :
Δt le temps de réverbération en seconde (s)
d la distance de l’obstacle (m)
v la vitesse des ondes ultra-sonores dans l’air (soit 340 m/s)
Attention : Il y a un facteur 2 pour la distance parcourue par l’onde sonore car celle-ci fait un aller-retour du système émetteur-récepteur vers l’obstacle.