Ondes dans la matière

ACTIVITES

A1 Autour de nous

· Pour chaque séquence de la vidéo ci-contre :

Quelle est la perturbation observée ?
Quelle est son origine ?
Quel est le milieu matériel perturbé ?
Comment se manifeste cette perturbation ?

· Justifier que la perturbation se déplace de proche en proche sans transport de matière.

· Expliquer pourquoi on peut dire qu'une perturbation transporte de l'énergie.

Ondes

A2 Niveau d'intensité sonore

Dans le cadre d'un plan de prévention du bruit en milieu urbain, le Conseil Général de Haute Corse propose quelques notions d'acoustique.

L'émission d'une onde sonore a toujours pour origine une vibration mécanique.

· L'intensité sonore I est l'énergie transportée par cette onde par unité de temps. Elle s'exprime en watt par mètre carré (W/m²).

· Le système auditif humain est un détecteur qui convertit les ondes sonores en signaux électriques, transmis au cerveau via le nerf auditif.

· Le niveau d'intensité sonore L d'un son d'intensité I s'exprime décibel : L=10.log(I/I₀)

I₀ = 10^-12 W.m^-2 est le seuil d'audibilité moyenne de l'oreille humaine à 1 kHz.

L s'exprime en décibel (dB) et se mesure avec un sonomètre.

La fonction logarithme décimal est la fonction réciproque de la fonction puissance de 10 :

10^logx = x ; log(10^x) = x

log(ab) = log(a) + log(b) ; log(a/b) = log(a) - log(b) ; log(aⁿ) = n.log(a)

A21 S'approprier :

· Donner des exemples d'émetteurs sonores.

· Déterminer l'intervalle des fréquences audibles.

· L'intensité sonore du seuil d'audibilité est-elle la même pour toutes les fréquences ?

A22 Réaliser :

· Evaluer et comparer les valeurs minimales et maximales de l'intensité des sons audibles. Conclure sur l'étendue de ces valeurs.

· Faire de même pour le niveau d'intensité sonore L.

· Compléter le tableau ci-dessous :

I(W/m²)	I₀	4,0.10^-4	8,0.10^-4
L(dB)				60	63	30

· Montrer que lorsque l'intensité sonore I est multipliée :

par 2, le niveau d'intensité sonore L augmente de 3 dB
par 10, le niveau d'intensité sonore L augmente de 10 dB.

· Par combien doit être multipliée l'intensité sonore I pour que le niveau d'intensité sonore L augmente :

de 6 dB ?
de 20 dB ?

A23 Analyser :

· Justifier de l'unité de l'intensité sonore I.

A24 Communiquer :

· Expliquer pourquoi les intensités sonores s'ajoutent numériquement mais pas les niveaux d'intensité sonore.

· Justifier alors les relations inscrites sur la première figure.

· Quelle grandeur, I ou L rend le mieux compte des sensations perçues ?

A3 Mesure de la célérité du son

Lorsqu'un avion atteint une vitesse supérieure ou égale à celle de la "vitesse du son", on dit qu'il franchit le mur du son.

Le "bang" entendu résulte de la formation d'une onde de choc.

Pour mesurer cette célérité, on peut mesurer le temps de parcours de la perturbation sur une distance donnée.

A votre disposition :

un casque de baladeur.
Un ordinateur équipé du logiciel Audacity permettant d'enregistrer un son en stéréo (sur deux canaux).
Une règle graduée.

Proposer :

Un protocole permettant de visualiser ce son sur les deux canaux

Réaliser :

mesurer le retard entre les deux signaux.
En déduire la célérité du son dans l'air.

A4 Séisme

Le 11 mars 2011, un tremblement de Terre de magnitude 9,0 sur l'échelle de Richter a été ressenti au Japon.

L'épicentre se trouvait à 130 km des côtes : deux plaques tectoniques se chevauchant étaient à l'origine de différents types d'ondes mécaniques. Les ondes de fond se propageant à l'intérieur de la Terre à partir de l'épicentre sont constituées des ondes primaires P (les plus rapides) et des ondes secondaires S.

A sol, le séisme donne lieu à des ondes voyageant en surface. Les enregistrements sont enregistrés par des sismographes.

Le sismographe est constitué d'une masse très lourde, placée sur une barre fixée à une de ses extrémités et qui pivote dans un plan vertical. La masse, en raison de son inertie ne bouge pas alors que le bâti de l'appareil, fixé au sol, accompagne les mouvements du séisme.

Au sujet de la magnitude :

Voici les propos tenus par un géophysicien présent sur les lieux du séisme :

" Les sismologues annonçaient une première série d'estimations que la magnitude devait être de 7,8, ce qui m'a semblé sous-estimé d'après mon expérience de Sumatra. "

La magnitude permet d'estimer l'énergie libérée par un séisme à partir de l'analyse des sismographes.

Cette grandeur a été introduite en 1935 par l'Américain Charles Francis Richter afin de comparer les tremblements de Terre californiens sur une échelle logarithmique. Sa valeur sans dimension physique se calcule à partir des amplitudes maximales des ondes enregistrées et nécessite des corrections pour tenir compte des caractéristiques du sismomètre et de sa distance au foyer du séisme. Cette mesure n'est valable que pour des stations proches du séisme; elle est maintenant appelée magnitude locale. Les sismologues lui préfèrent aujourd'hui la magnitude de moment M, moins immédiate à déterminer, mais plus fiable, surtout pour les gros séismes.

L'énergie ? E émise au foyer sous forme d'ondes peut être évaluée (en joule) par la relation :

log ? E = 1,5M+4,32

Analyse

· Pour chaque type d'onde P et S, indiquer si elles sont transversales ou longitudinales.

· Faire la liste des éléments du sismographe qui sont mis en mouvement lors d'un tremblement de Terre.

· Le sismographe est adapté pour un type d'onde. Préciser lequel.

Proposer le schéma d'un sismographe permettant l'enregistrement de l'autre type d'onde.

· Les ondes P et S se propagent respectivement à 6,0 km/s et 4 km.s^-1. Combien de temps mettent chacune d'elles pour arriver au sismographe situé à 100 km du foyer du séisme ?

· Dessiner l'allure de l'enregistrement obtenu par un sismographe enregistrant simultanément ces deux types d'ondes.

· Calculer l'énergie ?E émise lors du séisme.

· Quel est le rapport de l'énergie libérée à celle estimée lors des premières estimations.

· Justifier les propos du géophysicien Japonais.

COURS

C1 Manifestation des ondes mécaniques

C11 Définition.

Une onde mécanique correspond à la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel.

onde de compression - dilatation

Onde compression

C12 Modification du milieu.

Une onde mécanique modifie localement et temporairement les propriétés mécaniques (position, pression, vitesse… ) du milieu matériel dans lequel elle se propage.

Au sein de la matière, on distingue deux types d'onde :

Les ondes de compression – dilatation, qui provoquent un déplacement local des éléments du milieu dans leur direction de propagation.
Les ondes de cisaillement, qui ne se propagent que dans les milieux solides en provoquant un déplacement des éléments du milieu perpendiculairement à leur direction de propagation.

Les ondes peuvent être guidées le long de l'interface entre deux milieux. On parle alors d'ondes de surface combinant les propriétés des ondes de compression-dilatation et des ondes de cisaillement.

onde de cisaillement

Onde cisaillement

Exemples :

Les ondes sonores et les ondes P sont des ondes de compression, les ondes sismiques S son des ondes de cisaillement.

Comme la lumière, les ondes mécaniques sont réfléchies et réfractées à l'interface entre deux milieux.

Ces phénomènes sont mis à profits dans de nombreuses applications : sonar, imagerie médicale, acoustique des salles…

C13 Transport d'énergie sans transport de matière.

Une onde mécanique correspond à la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel.

Lors de la propagation d'une perturbation, la modification locale et temporaire des propriétés mécaniques du milieu matériel engendre des variations d'énergies cinétique et potentielle du milieu.

Les ondes mécaniques, comme les ondes électromagnétiques transportent de l'énergie sans transporter de matière.

exemple : la houle soulève le bateau sans le faire avancer (il reste sur la même verticale et revient à sa position initiale)

A cause des frottements existants lors du passage de la perturbation, une partie de l'énergie transportée est perdue sous forme de chaleur. On parle d'amortissement du signal.

Houle bateau

C2 Emission et détection des ondes

C21 Sources et dispositifs de détection des ondes mécaniques

C21a Sources

Un apport d'énergie est nécessaire pour qu'une perturbation prenne naissance dans une région, appelée source, d'un milieu matériel.

L'émetteur apporte l'énergie nécessaire à la création de cette perturbation.

Exemples :

La rupture des roches cède de l'énergie à la terre lors de la formation d'ondes sismiques.
Le vent apporte à l'eau de surface l'énergie nécessaire à la formation de la houle.
La membrane d'un haut-parleur comprime et dilate l'air pour créer une onde sonore.

C21b Récepteurs

La détection d'une onde mécanique nécessite un capteur qui transmet une des grandeurs physiques modifiées lors de la perturbation du milieu.

Exemples :

Dans un sismomètre, des capteurs électromécaniques transforment les déplacements du sol en signaux électriques.
Dans l'oreille, la transformation de l'énergie mécanique est assurée par les cils de la cochlée.