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Comme son nom l'indique, la lévitation acoustique est un phénomène sonore. C'est pourquoi pour expliquer ce principe, nous devons commencer par nous intéresser au son.
Comme son nom l'indique, la lévitation acoustique est un phénomène sonore. C'est pourquoi pour expliquer ce principe, nous devons commencer par nous intéresser au son.
Qu’est-ce que le son ?
Qu’est-ce que le son ?
Nous sommes immergés dans un environnement sonore. Les bruits, la musique ou la parole sont des manifestations variées d'un unique phénomène physique : le son. Dans cette première partie, nous allons étudier des aspects physiques de ce phénomène et ainsi introduire des notions fondamentales pour la suite du TPE.
Le son est une onde, c'est à dire une perturbation d'un milieu, dans notre cas l'air. Cette onde déforme élastiquement le milieu par vibration des molécules.
Les ondes sonores font partie de la catégorie des ondes mécaniques progressives car elles perturbent localement le milieu. On peut de plus les qualifier d'ondes longitudinales car les molécules d'air se déplacent parallèlement au sens de propagation de l'onde. La perturbation est ainsi transmise lorsque les particules s'entrechoquent, puis celles-ci reviennent à leur emplacement initial. On a donc, au final, un transport d'énergie sans déplacement de matière.
Comme nous l'observons ci-dessus, lorsqu'une onde sonore se propage, la vibration crée des espaces où les particules d'air sont très rapprochées, ce sont donc des zones denses où la pression est forte. À l'inverse, les aires où les particules sont très éloignées correspondent à une diminution de la pression. Ces variations de pressions par rapport à la pression atmosphérique ambiante se transmettent lorsque les molécules s'entrechoquent. Ce phénomène est appelé pression acoustique et se mesure en pascals (Pa). Plus les différences de pression augmentent, plus le son perçu sera fort.
Sur l'animation ci-contre, les molécules d'air sont symbolisées par les points noirs. On constate que la perturbation provient de la membrane de la source sonore qui fait varier la pression entre les molécules. Elle pousse les premières particules qui se heurtent aux suivantes et ainsi de suite jusqu'à ce que le son ait dissipé toute son énergie. Les zones de surpression et de dépression sont donc en mouvement et s'alternent.
Pour étudier les ondes sonores, il est possible de les représenter grâce à une onde sinusoïdale. Ce schéma donne la correspondance entre la réalité, la modélisation du déplacement longitudinal et celui de la variation de pression.
Il existe différents types de sources sonores. Il y a par exemple les hauts-parleurs, les transducteurs, la voix...
Pour notre expérience, nous avons utilisé des émetteurs à ultrasons, aussi appelés transducteurs ultrasonores. Ils convertissent en effet une énergie électrique (les émetteurs sont branchés sur un générateur de basses fréquences) en une énergie mécanique (vibration de la membrane des émetteurs). Ces émetteurs fonctionnent grâce au principe de la piézoélectricité.
La piézoélectricité est le fait pour un matériau de générer un courant électrique lorsque celui-ci est déformé : c'est l'effet piézoélectrique direct, utilisé par certains micros. Ce phénomène fonctionne dans les deux sens. En effet, le matériau est déformé lorsqu'il est soumis à un courant électrique : on appelle cela l'effet piézoélectrique inverse. Notre générateur de basses fréquences (GBF) produisant une tension alternative, la membrane suit un mouvement de va-et-vient et crée une onde sonore.
L'onde sonore transmet donc une perturbation qui se traduit par une succession de compressions et dilatations des molécules. Ces molécules vont elles-mêmes faire vibrer d'autres molécules d'air et ainsi de suite jusqu'à nos oreilles, ou plus précisément nos tympans. Ceux-ci vont vibrer avec les particules d'air et vont transmettre l'information au cerveau qui va l'interpréter comme un son. C'est la perception auditive. Certaines espèces telles que l'Homme peuvent détecter ces sons grâce à l'ouïe. L'Homme est capable de percevoir des sons entre 20 Hz et 20 kHz en moyenne. D'autres espèces sont en revanche capable de détecter des sons en dehors de cette fourchette telle que la chauve-souris qui est capable de percevoir des ultrasons de presque 500 kHz.
Les principales caractéristiques des ondes sonores
Les principales caractéristiques des ondes sonores
Chaque onde sonore possède plusieurs attributs techniques qui permettent de la caractériser. Nous détaillerons les aspects principaux qui interviennent dans le phénomène de lévitation sonore.
Tout d'abord, intéressons nous à la vitesse du son notée V. Celle-ci, également appelée célérité, varie suivant la nature et la température du milieu. Dans notre cas ce milieu est l'air ambiant, dans lequel nous pouvons approximer la célérité du son à 340 m/s. Elle correspond à la vitesse de transmission de la perturbation par les particules.
Une onde sonore peut être périodique ou non. Un phénomène périodique a lieu lorsqu'il se reproduit dans le temps. Un émetteur peut par exemple produire une onde périodique tandis qu'un haut-parleur qui diffuse de la musique va produire une onde variable. Si l'onde est périodique, elle possède alors une période temporelle notée T (en secondes). Cette période est le temps qui sépare deux reproductions identiques de l'onde, deux cycles, soit la plus petite durée pour que chaque particule du milieu se trouve dans le même état vibratoire qu'au début. Elle correspond donc à un motif qui se répète représentant la fonction que décrit le déplacement des molécules d'air.
La période T est étroitement liée à la vitesse, mais aussi à une autre caractéristique du son : la longueur d'onde notée λ (en mètres). Cette dernière correspond à la distance parcourue par l'onde pendant la période. Sur le schéma ci-contre, la longueur d'onde est la distance entre deux maximums de l'amplitude.
Ces deux grandeurs forment la double périodicité (temporelle et spatiale) d'une onde progressive sinusoïdale, la période T correspondant à la période temporelle et la longueur d'onde λ correspondant à la période spatiale.
La troisième caractéristique importante d'une onde sonore est sa fréquence notée f et se mesurant en hertz (Hz). Elle correspond au nombre de périodes par seconde. La fréquence est donc l'inverse de la période, calculée par la formule 1/T. La fréquence d'une onde sonore détermine sa hauteur. Ainsi, plus la fréquence est élevée, plus le son sera aigu.
Ces différentes grandeurs sont globalement reliées entre elles par la formule V=λ/T que l'on peut également écrire V=λ×f.
Enfin un son est aussi caractérisé par son amplitude notée A. Elle caractérise la longueur des déplacements des molécules d'air et est proportionnelle à ce déplacement. L'amplitude détermine la puissance d'une onde sonore. Ainsi, plus l'amplitude est élevée, plus le son sera fort.
Il existe certains types reconnaissables, certains archétypes de formes d'onde comme onde en triangle, rectangle, en dents de scie, sinusoïdale...
Afin de prouver que les ondes de notre expérience étaient sinusoïdales, nous avons effectué un test à l'oscilloscope qui nous a assuré que l'onde produite par un émetteur alimenté par un GBF suivait bien une forme sinusoïdale (voir photo ci-dessous).
Il existe différentes formules permettant d'obtenir une onde sinusoïdale ; nous en avons choisie une qui nous suffisait : f(x)=A×sin(f×x+φ) avec :
- A l'amplitude de l'onde
- f la fréquence de l'onde
- φ le déphasage de l'onde, c'est-à-dire la variable qui définit la position de l'onde dans le temps
Grâce à cette formule, nous avons modélisé des courbes représentant nos ondes sinusoïdales sur le logiciel de géométrie GeoGebra et sur lesquelles nous nous appuierons pour notre oral de TPE.
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