Structure d’un émetteur d’ondes ultrasonores

Rayonnement d’un émetteur ultrasonore

Il s’agit de répondre à la question:

« Comment se répartit l’onde sonore dans l’espace? »

étude de la répartition spatiale de l’amplitude de l’onde sonore

Les étudiants disposent d’une feuille A3 (patron ci-dessous) permettant de placer le récepteur en coordonnées polaires centrées sur la position de l’émetteur (on place le centre ce dernier à l’origine) .

Position relative émetteur/récepteur ultrasonores

La réponse du capteur est visualisée sur l’oscilloscope pour le déphasage avec le signal émis. Un voltmètre aux bornes indique sa valeur efficace . Même si le voltmètre n’est pas très fiable à cette fréquence ceci a peu d’importance car la fréquence est fixée.

Position du récepteur: influence de l’angle a

Le récepteur produit un signal qui résulte de l’intégration spatiale sur la surface active

Position optimale du récepteur

La normale à la surface active doit être placée suivant la droite SM

Investigation radiale puis angulaire de l’amplitude émise

Pour étudier la répartition spatiale de l’amplitude dans le plan, il est judicieux de ne faire varier qu’une seule coordonnée. L’étude est répartie entre les divers groupes de TP, d’abord à angle fixée puis à distance fixée.

Première série de mesures: répartition radiale de l’amplitude de l’onde sonore

1 10 1000.1

1

10

f(x) = 5.30718939752736 x -̂1.09638069577866

f(x) = 8.72292267362644 x -̂1.028461131014

f(x) = 19.0245031145019 x -̂1.03957861471512

Distance SM

Amplitude de la ten-sion 

Chaque binôme fait une mesure de la réponse du capteur avec l’angle qui lui a été attribué. Il doit modéliser par une fonction puissance dans le tableur et communiquer l’exposant au groupe pour comparaison. Les mesures sont en accord avec une variation proportionnelle à l’inverse de la distance. Le coefficient de proportionnalité dépend de l’angle choisi.

Seconde série de mesures: répartition angulaire de l’amplitude de l’onde sonore

On procède de même en faisant varier l’angle pour diverses valeurs de la distance. Pour traiter les mesures, le groupe dispose de la figure ci-dessous et place les points expérimentaux donnant le rapport de la tension mesurée pour un angle donné sur la mesure à angle nul.

Seconde série de mesures: répartition angulaire de l’amplitude de l’onde sonore

On fait ainsi apparaitre le « diagramme de rayonnement ultrasonore ».

Seconde série de mesures: répartition angulaire de l’amplitude de l’onde sonore

Pour échanger les résultats, il faut choisir de manière conventionnelle un angle caractéristique de la distribution angulaire.

Seconde série de mesures: répartition angulaire de l’amplitude de l’onde sonore

distance caractéristique de l'ondeangle critique =

distance caractéristique de la surface émettrice a

Dans une « certaine » direction, le signal capté est très faible.

Explication qualitative: interférences entre plusieurs ondes

En un point du récepteur se superposent les ondes issues de divers points de la surface active de l’émetteur

Explication qualitative: interférences entre plusieurs ondes

La distance entre ces sources quasi ponctuelles et le point M de la surface de réception varie d’une source à l’autre.

Ces ondes n’arrivent pas en phase. Elles peuvent se compenser pour donner un signal résultant plus faible voire quasi nul.

« Rayons sonores » quasi parallèles

Prolongement : interférences entre les ondes issues de deux émetteurs synchrones

G énérateur de fonctions

sinusoïdales 40kH z

AY

2 0d cm=

4a cm=

O

Interférences entre les ondes issues de deux émetteurs synchrones

0 5 10 15 20 250

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Une seule source ; courbes mauve et verte

Deux sources ; courbes rouge (sources en phase) et bleue (sources en opposition de phase)