II- La transmission d’une onde :: De la vision à l'audition

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DIFFERENTES ONDES

Généralité

Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales du milieu. Elle se déplace avec une vitesse déterminée qui dépend des caractéristiques du milieu de propagation. Une onde transporte de l'énergie sans transporter de la matière. Elles peuvent se croiser sans pour autant se perturber. Elles sont en général invisibles sauf pour le cas de l'eau, où l'on voit le parcours de celle-ci.

On notera que le champ d'une onde est la zone de l'espace où les propriétés physiques ont été modifiées (comme par exemple le champ magnétique).

Il existe aujourd'hui une multitude d'ondes dont les principales sont :

l'onde oscillante est l'onde caractéristique d'un caillou qui tombe dans l'eau, elle est périodique
l'onde solitaire (onde considérée comme seule puisque parmi le train d'ondes, une seule ressort et les autres sont quasiment nulles) est celle qui se propage sans déformation dans un milieu non-linéaire et dispersif (mascaret)
l'onde de choc est provoquée par le passage d'un avion à une vitesse supersonique (mur du son)
l'onde électromagnétique est celle qui traite deux perturbations, une magnétique et une électrique, elle n'a pas besoin de support (comme la lumière du soleil)
l'onde acoustique est la vibration mécanique d'un fluide ou d'un solide

On peut classer ces ondes en fonction de leurs caractéristiques comme les ondes planes, les ondes de gravité, les ondes cérébrales, les ondes sphériques, les ondes élastiques...

L'onde sinusoïdale (ou monochromatique) est celle qui est la plus commune dans notre environnement, elle se propage donc de manière sinusoïdale (voir schéma ci-dessous). On retrouve de nombreuses ondes notamment dans le four, le téléphone, et tout autre appareil électrique mais aussi des ondes sismiques qui montrent le déplacement des plaques à la surface de la Terre. On peut alors définir les ondes en deux grands groupes : les ondes artificielles et les ondes naturelles.

Les ondes naturelles sont à l'origine du champ magnétique, mais aussi électrique de la Terre par exemple, le Nord de la boussole montre l'existence du champ magnétique et la foudre témoigne du champ électrique (elle permet de maintenir un équilibre électrique de la planète).

Les ondes artificielles ont, quant à elles, été créées par l'Homme depuis la découverte de l'électricité. Dès qu'un courant est engendré, il y a apparition d'un champ électrique de basse fréquence. La transmission à haute fréquence, grâce à toutes sortes de rayonnement, permet d'envoyer de nombreuses données, ce sont ces-dernières qui permettent de recevoir la radio, la télévision...

L'Homme vit quotidiennement sous la contrainte des ondes électromagnétiques, ce qui peut aller jusqu'à apporter des problèmes de santé (voir "Les Risques et Utilisations").

Les ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique est constituée à la fois d'une composante électrique et d'une composante magnétique oscillant (variant) à la même fréquence. Elle n'a pas besoin de support et peut aussi se propager dans tout milieu (air, verre, eau), ce qui nous permet de recevoir la lumière du Soleil. Les photons sont caractéristiques de l'énergie portée par cette onde. La vitesse donnée dans le vide est de 3 × 10⁸ m.s^-1, cette donnée est une constante noté c et nommée célérité dit plus communément "vitesse de la lumière". La célérité dépend du milieu de propagation, elle n'est don pas égale à celle du vide pour les milieux comme le verre ou l'eau par exemple. Les ondes électromagnétiques se propagent de manière sphérique, représentée par une succession de sphères concentriques.

Les différentes sources d'ondes électromagnétiques, classées en suivant la chronologie des fréquences :

le courant électrique
les micro-ondes
les ondes radios
l'infrarouge
la lumière visible
l'ultraviolet
les rayons X
les rayons gamma

Les deux derniers éléments de la liste sont des radiations très ionisantes, c'est-à-dire que ces ondes sont de très haute fréquence et peuvent arracher des électrons aux atomes. Les rayonnements sont d’autant plus puissants que leur fréquence est haute, ce qui dénature la matière et peut ainsi causer un impact sévère sur la santé.

Les autres éléments ne sont donc pas des radiations ionisantes, c'est-à-dire que la fréquence de ces ondes est basse. Elles sont seulement capables d’agiter les molécules et donc de les chauffer (comme le micro-onde qui chauffe les molécules d'eau des aliments).

L'onde électromagnétique est schématisée de la manière suivante avec deux composantes : un champ électrique vecteur E et un champ magnétique vecteur B.

Lorsqu'une onde passe d'un milieu transparent à un autre, il se produit un phénomène de réfraction et de réflexion. Quand n₁ est supérieur à n₂, il y a toujours un rayon réfracté. Si n₂ est supérieur n₁, il n'y a pas toujours un rayon réfracté car à partir d'un certain angle d'incidence calculé par : n₁ sin i₁ = n₂ sin i₂, il n'y a plus de rayon émergent dans le milieu n₂. C'est le phénomène réflexion totale que l'on peut rencontrer dans la fibre optique. On obtient pour le premier cas, le schéma suivant :

Les ondes électromagnétiques peuvent aussi être absorbées et donc stoppées comme c'est le cas pour certains métaux qui vont absorber les ondes hertziennes.

L'énergie transportée par les ondes dépend de la fréquence de celles-ci. La formule reliant l'énergie du photon et la fréquence est donc : E = v × h avec E énergie du photon, v fréquence de l'onde (Hz) et h constante de Planck (6,626 × 10^-34 J.s). De la même manière, on peut calculer la fréquence grâce à la relation suivante : v = 1/T avec v fréquence du phénomène (Hz) et T période du phénomène (s). Aussi, on peut calculer la distance de cette onde parcourue pendant une durée égale à sa période avec : λ= c × T avec λ la longueur d'onde (m), c célérité de l'onde (m.s^-1), et T période temporelle de l'onde (s).

Une radiation électromagnétique est dite monochromatique lorsqu'elle est composée d'une seule radiation de longueur d'onde déterminée. On le voit par le fait qu'elle soit donc composée d'une unique couleur comme le laser. C'est donc une onde électromagnétique progressive sinusoïdale de fréquence donnée. Un lien est établi entre sa couleur et la valeur de sa fréquence. Dans les cas inverse elle est dite polychromatique.

L'utilité de cette onde pour l'Homme est de permettre très souvent la transmission d'informations codées, ce qui l'a rend très pratique dans les industries. Leur transmission peut-être libre (comme par exemple celle des antennes relais aux téléphones) ou guidée par une fibre optique, un câble (comme par exemple des antennes relais au centre d'appel).

Les ondes sonores

Une onde sonore, dite aussi acoustique, est une perturbation mécanique c'est-à-dire une onde de compression-dilatation qui se propage dans un milieu matériel. Elle ne peut donc pas se propager dans le vide comme une onde électromagnétique. Le son a une vitesse beaucoup plus moindre que celle de l'onde électromagnétique, ce qui explique le fait que l'on voit d'abord un éclair avant d'entendre son son, cette vitesse dite aussi célérité est de 340m.s^-1 dans l’air.

Le son est séparé en différente catégorie :

les infrasons
les sons (audibles pour l'Homme)
les ultrasons

Les sons qui sont audibles pour l'Homme se situent entre 20Hz et 20kHz.

Le son est produit par les vibrations d'un émetteur comme par exemple le haut-parleur, les cordes vocales ou encore le diapason. Ensuite, les vibrations produites seront réceptionnées par l'oreille. La vibration est un mouvement de va-et-vient périodique. C'est cette vibration qui va modifier le milieu et créer les zones de dilatation et de compression.

On peut schématiser les ondes sonores de la manière suivante :

(On distingue les zones où les particules d'air sont compressées et les zones où elles sont dilatées, lorsque ces-dernières sont dans une zone de dilatation, alors le signal est négatif sinon il est positif.)

L'amplitude des variations de pression qui accompagne la propagation d'un son crée des effets mécaniques au niveau du récepteur, on mesure donc l'intensité sonore de la manière suivant : I = P/S avec I intensité sonore (W.m^-2), P puissance sonore (W) et S surface (m²). Cette intensité sonore a pour référence le seuil d'audibilité : I₀ = 1 × 10^-12 W.m^-2.

On peut alors définir le niveau sonore L : L = 10log I/I₀. Il s'exprime en décibel acoustique dB_A.

Le logarithme, ou log, de base b d'un nombre réel strictement positif est la puissance à laquelle il faut élever la base b pour obtenir ce nombre. Par exemple, le logarithme de 1000 en base 10 est 3, car 1000 = 10³. Le logarithme de x en base b est noté log_b(x). Ainsi log₁₀(1000) = 3. (en savoir plus sur Wikipedia).

Le son pur est un son avec une unique harmonique (le fondamental), c'est-à-dire que son signal sera sinusoïdal, l'exemple connu d'un son pur est le diapason. Au contraire, les sons d'instruments musicaux sont des sons complexes contenant plusieurs harmoniques.

Le son est aussi caractéristique de l'effet Doppler, que l'on entend lorsqu'un camion de pompier passe. Cet effet traduit le phénomène de propagation des ondes sonores, lorsque la source est à un point fixe, on remarque une égalité parfaite entre les longueurs d'onde ; deux observateurs situés à l'opposé de cette source recevrons donc le signal en même temps (pas d'effet perçu). Cependant, si la source est en mouvement, les longueurs d'ondes ne seront plus égales et les deux observateurs ne recevront plus en même temps le signal sonore. On notera également des cas plus complexe avec une source et des observateurs en mouvement.

L'effet Doppler correspond à un décalage Δf= f R −f non nul entre la fréquence f_R du signal reçu par un récepteur R, et la fréquence f du signal émis par la source S, lorsque R et S sont en mouvement l'un par rapport à l'autre. On peut donc savoir s'il y a l'existence d'un mouvement ou non, avec les résultats suivants :

Si R et S se rapprochent, f R >f et Δf= f R −f>0
Si R et S s'éloignent, f R <f et Δf= f R −f<0
Si R et S sont immobiles, f R =f et Δf=0

(Aller dans les Annexes et Sources pour des calculs complexes)

L'effet Doppler est très utilisé dans le domaine médical ainsi qu'en astrophysique.

EXPERIENCE

Mise en œuvre

Dans notre première expérience avec le kit KITCOM :

Dans notre première expérience, nous utilisons le kit KITCOM, il est composé d'un émetteur, d'un récepteur et d'un laser + récepteur. Il est également fourni avec une fibre optique.

Ce montage est obtenu par une alimentation par secteur, directement reliée aux émetteur/récepteur, et fournie par le kit. Grâce à un générateur de fonction qui émet un bruit très aigu proche de l'ultrason, nous allons voir le signal envoyé sur l'oscilloscope, ce générateur faisant la même fonction que la musique.

Le générateur est donc directement relié, à l'aide de fils, à l'émetteur, lui-même relié au laser. Le laser est l'appareil qui va envoyer la musique ou les sons émis, son récepteur va transmettre à l'ensemble général, le boitier récepteur, les ondes reçues pour ensuite être traitées et également transmises au haut-parleur, qui les amplifiera et les rendra audibles.

On obtient à la fin un montage identique à celui-ci :

On observe un signal quasi-sinusoïdal, cependant puisque le laser est tenu par la main, on ressent les vibrations qui montrent un signal non-fiable. Egalement observable, un deuxième signal qui lui se rapproche plus du signal carré, mais le problème persiste et la connexion n'est pas totalement établie. Ces deux signaux représentent les deux voies, récepteur et émetteur.

Dans notre deuxième expérience avec le kit Fibroptonic :

Fibroptonic est un outil permettant d'étudié la propagation d'une onde. C'est grâce à cette technologie que nous essaierons de répondre à la problématique générale ainsi qu'à la problématique expérimentale : "Est-il possible de transmettre la musique par la voie d'un laser ?"

L'alimentation est en 6V continu pour l'appareil émetteur. On connecte donc l'alimentation aux deux bornes respectives (voir schéma). L'appareil est doté d'un fusible 100mA qui permettra de protéger l'émetteur s'il y a une éventuelle surintensité.

L'appareil émetteur peut-être utilisé de deux manière : sur une position "micro", dans ce cas il suffira de parler dans le microphone prévu ; et sur une position "signal extérieur" où l'on pourrait envoyer un signal sonore directement traité par le boitier et envoyé dans la fibre optique. On peut aussi bien brancher un oscilloscope pour voir la forme du signal envoyé. Nous vous le montrerons plus en détails dans nos vidéos expérimentales.

Dans notre cas, on utilisera seulement la position "micro" et un oscilloscope branché sur le boitier récepteur.

Pour ce qui est de l'appareil récepteur, celui-ci est aussi branché en 6V continu. Alors qu'il reçoit par signal lumineux (de la fibre optique) les diverses informations électriques, il va traiter ces données et les retranscrire à l'identique. L'oscillographe permettra donc d'identifié le type de signal reçu.

En conclusion, on branche, à l'aide de fils, les deux générateurs (pour l'alimentation) à chacun des boitiers puis, on relie les deux boitiers (émetteur et récepteur) par la fibre optique que l'on visse dans les trous prévu à cet effet. On devrait donc obtenir à la fin, un circuit avec le kit suivant :

On a donc décidé d'utiliser un iPhone pour envoyé de la musique par le laser (guidé par la fibre optique), le son sera retransmit à l'aide d'un haut-parleur inclus dans le boitier récepteur.

Explications

On traitera ici, particulièrement le deuxième kit, sur lequel il y a plus eu de résultats satisfaisants.

La voix est transportée par la lumière qui est prisonnière dans la fibre optique. Cette fibre est une fibre à saut d'indices, c'est-à-dire qu'elle est dans un angle limite avec des rebonds successifs. Lorsque l'oscilloscope est branché au circuit, on voit alors un signal variable qui correspond à la fréquence de la voix.

Ce sont les convertisseurs qui assurent le rôle de transmission des ondes, en les "transformant" en fonction de l'endroit où elles passent : par exemple, lorsqu'elles passent dans la fibre optique, elles ont subit une transformation au sein du convertisseur qui les précède, elles sont donc passées d'ondes sonores à ondes électromagnétiques par le biais, également, des données électriques.

Plus généralement, l'onde sonore est passée par le microphone qui l'a converti en une onde électromagnétique passant dans les fils conducteurs, ensuite celle-ci a été transformée dans le convertisseur pour être une onde lumineuse passant par le biais du laser. Dans le récepteur, c'est l'inverse qui se passe : il reçoit l'onde lumineuse et la converti en onde électromagnétique puis ensuite, cette dernière subit une ultime modification pour être réentendu et amplifier par le haut-parleur.

Pour les experts

La propagation d'une onde dépend de divers facteurs comme sa nature, sa conductibilité... On peut tout de même vous donner, à titre informatif, la formule qui permet de montrer ce cheminement à travers la fibre optique. On pourra constater par ailleurs qu'il n'y a pas de perte de matière comme dit précédemment.

Aussi, il existe une relation permettant de convertir une onde sonore en un signal électrique, puis de traduire ce signal électrique en signal lumineux et inversement pour la réception. Ce phénomène est basé sur le principe de modulation d'amplitude. Elle consiste à faire varier l'amplitude d'un signal de fréquence élevée, le signal porteur, en fonction d'un signal de plus basse fréquence, le signal modulant. Ce dernier est celui qui contient l'information à transmettre (voix, par exemple, recueillie par un microphone).

Cette section n'étant pas encore de nos compétences, nous préférons vous donner directement le lien.

Comme le montre le schéma ci-dessus, des convertisseurs sont inclus dans le boitier. Ceux-ci permettent de convertir progressivement un signal sonore en un signal lumineux par le biais des formules présentes sur Wikipédia : Modulation d'Amplitude

On peut aussi voir l'existence d'un amplificateur qui sera lié à la formule suivante : A = Ps/Pe avec Ps, puissance de sortie et Pe, puissance d'entrée. Celle-ci permet de voir l'amplification qui a été appliqué sur le son.

Toutes informations supplémentaires pour la propagation des ondes dans : https://www.esatic.ci/dossier_pdf/Cours_L2_RTEL/Propagation_des_ondes.pdf

En conclusion

Pour conclure sur cette activité expérimentale, on pourra dire qu'après plusieurs essais et de différentes manières, il est possible d'envoyer de la musique à l'aide d'un laser. De plus, c'est à la vitesse de la lumière (qui est environ 6 millions de fois plus rapide que le son) que les ondes seront traitées et envoyées ! Il est donc également possible de lié vitesse de la lumière et vitesse du son dans ce T.P.E.

L'avantage majeur reste tout de même le fait que la musique transmise par laser est beaucoup plus pure : il n'y a pas de parasites, car si l'émetteur n'en émet pas, la transmission ne peut pas être brouillée (effectivement, il est impossible de brouiller un faisceau laser).

On peut aussi mettre en avant que toute cette expérience n'est basée que sur un système de conversion et que sans ceux-ci, il n'est pas possible de transmettre de la musique par le biais du laser.

II- La transmission d’une onde