On se propose de déterminer par différentes méthodes la vitesse de propagation des ultrasons de fréquence f

1. Etude du générateur de salves : l'intervalle de temps entre deux salves est T₁. La durée d'une salve est T₂. On désire visualiser la tension aux bornes du générateur de salves à l'aide d'un oscilloscope. Dessiner les branchements pour visualiser cette tension en voie 1 de l'oscilloscope.

   - Estimer T₁ et T₂ à partir de l'écran de l'oscilloscope suivant :

   

   - Quelle est la fonction du bouton "rapport cyclique" sur le générateur de salves ?
   - Quelle réglage de l'oscilloscope a été modifié entre les oscillogrammes des figures 1 et 2 ?

   10 ms/div

   - Représenter la période T des ondes ultrasonores et la déterminer. En déduire la valeur de la fréquence f. Cette fréquence est-elle audible pour l'oreille humaine ?

2. Détermination de la vitesse de propagation des ultrasons dans l'air : On relie l'émetteur de salves à un émetteur à ultrasons. Le récepteur d'ultrasons est placé à une distance d= 1 m de l'émetteur. On visualise la tension aux bornes de l'émetteur et du récepteur. Faire un schéma simplifié en indiquant les branchements à réaliser entre le générateur de salves, l'émetteur, le récepteur, l'oscilloscope.

   - Identifier le signal correspondant à l'émetteur et justifier.

   

   - Indiquer sur quelle voie est effectuée la synchronisation de l'oscilloscope.
   - Quel est le décalage temporel Dt entre l'émission et la réception ? Calculer Dt .
   - En déduire la célérité du son dans l'air en m/s, en km/h.
   - Comment évolue la vitesse du son dans l'air quand la température augmente ?

3. Clap sonore : une autre méthode consiste en l'émission d'un clap sonore et à la visualisation sur l'écran d'un oscilloscope à mémoire à deux voies de la tension aux bornes de deux microphones séparés d'une distance connue. Indiquer quel doit être la position du dispositif permettant d'émettre le "clap" en fonction des positions des micros.
   - Quel type d'oscilloscope doit-on utiliser ? Pourquoi ?
   - A défaut de ce type d'oscilloscope, quel dispositif peut-on utiliser ?

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corrigé

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temps entre deux salves T₁: 7 divisions soit 7*2 = 14 ms ; la durée d'une salve T₂ : 1 division soit 1 ms.

fonction du bouton "rapport cyclique" sur le générateur de salves : donne le rapport T₁ /T₂ ou l'inverse.

réglage de l'oscilloscope a été modifié entre les oscillogrammes des figures 1 et 2 : sensibilité horizontale ( on a remplacé 2 ms/div par 10 ms/div )

période T des ondes ultrasonores : 2,5 div soit 2,5*10 = 25 ms = 2,5 10^-5 s.

valeur de la fréquence f = 1/T = 1/2,5 10^-5 = 40 000 Hz.

Cette fréquence n'est pas audible pour l'oreille humaine, elle se situe en dehors de l'intervalle audible de cette oreille [20 - 20 000 Hz]

les branchements à réaliser entre le générateur de salves, l'émetteur, le récepteur, l'oscilloscope :

_{signal correspondant à l'émetteur} : celui de la partie inférieur de l'écran de l'oscilloscope : ce signal est en avance sur le signal reçu par le récepteur

synchronisation de l'oscilloscope : voie 1, signal émetteur.
décalage temporel Dt entre l'émission et la réception : 1,6 div soit 1,6*2 = 3,2 ms

célérité du son dans l'air : d/Dt= 1/3,2 10^-3 = 312 m/sou 312*3,6 =1125 km/h.

la vitesse du son dans l'air augmente quand la température augmente. c_air = (331,5 + 0,6·q) ; q température en Celcius

position du dispositif permettant d'émettre le "clap" en fonction des positions des micros : placé ce dispositif entre les deux micros de telle manière que la distance [ dispositif- micro n°1] - distance [dispositif - micro n°2] soit égale à d= 1 m.
type d'oscilloscope : oscilloscope à mémoire car le phénomène n'est pas périodique , il ne se produit qu'une seule fois.

A défaut de ce type d'oscilloscope, système d'acquistion + ordinateur + interface.

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