Interfaces entre deux milieux
Cours complet · physique des ondes 2 (PC), chapitre 3 · CPGE PC (2e année)
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Jusqu'ici, une onde a été étudiée dans un milieu unique, homogène et illimité. En réalité, une onde rencontre presque toujours une discontinuité : une corde change de nature, une onde sonore passe de l'air à l'eau, une onde lumineuse traverse une vitre, un signal électrique atteint le bout d'un câble. À une telle interface, une partie de l'onde repart en arrière — c'est l'onde réfléchie — tandis que l'autre poursuit sa route dans le second milieu — c'est l'onde transmise.
L'objectif de ce chapitre est de prévoir quantitativement le partage entre réflexion et transmission. Nous verrons qu'un unique paramètre, l'impédance du milieu vis-à-vis de l'onde, gouverne ce partage, et qu'il obéit toujours à la même loi. Les coefficients de réflexion et de transmission en amplitude s'écrivent de manière universelle à partir des impédances, et la conservation de l'énergie impose pour les coefficients en puissance. Nous appliquerons ce cadre à la corde, à l'acoustique, aux ondes électromagnétiques et à la ligne coaxiale, et nous dégagerons la notion capitale d'adaptation d'impédance, qui optimise le transfert d'énergie d'un milieu à l'autre.
3.1 Impédance d'une onde progressive
3.1.1 Une définition commune
Pour toutes les ondes progressives que nous étudions, deux grandeurs physiques se propagent conjointement : une grandeur « d'effort » (une force, une surpression, un champ électrique, une tension) et une grandeur « de flux » (une vitesse, un débit, un champ magnétique, un courant). L'impédance mesure leur rapport.
Pour une onde plane progressive harmonique se propageant vers les croissants, l'impédance du milieu est le rapport (constant) de la grandeur d'effort à la grandeur de flux :
Pour une onde progressant vers les décroissants, ce rapport vaut .
| Domaine | Effort | Flux | Impédance |
|---|---|---|---|
| Corde tendue | force transverse | vitesse transverse | |
| Acoustique | surpression | vitesse | |
| Électromagnétisme | champ | champ | |
| Ligne électrique | tension | courant |
est l'impédance du vide. Dans un milieu non magnétique d'indice , l'impédance électromagnétique vaut : plus l'indice est grand, plus l'impédance est faible.
3.1.2 Impédance mécanique d'une corde
Considérons une corde de masse linéique tendue avec la tension , siège d'une onde transverse . La force transverse exercée par la partie gauche sur la partie droite au point d'abscisse est , et la vitesse transverse est .
Démonstration (Calcul de l'impédance)
Pour une onde progressive avec , on a et , d'où
L'impédance mécanique de la corde est donc
Pour une onde régressive , le même calcul donne .
3.2 Réflexion et transmission sur une corde
3.2.1 Jonction de deux cordes
Deux cordes de masses linéiques et , tendues avec la même tension , sont raboutées en . Une onde harmonique arrive depuis . Les célérités sont et les impédances , avec .
On écrit le déplacement dans chaque milieu en notation complexe :
3.2.2 Conditions de continuité
À la jonction () d'une corde sans masse ponctuelle ajoutée :
- [(1)] continuité du déplacement : la corde ne se rompt pas, ;
- [(2)] continuité de la force transverse : , sinon un élément de masse nulle subirait une force finie donc une accélération infinie.
Démonstration (Coefficients de la corde)
Posons et . La continuité du déplacement donne
La continuité de la pente () donne , soit
On en tire . Comme (car ),
- Extrémité fixe : (corde 2 infiniment lourde), . L'onde se réfléchit en s'inversant (nœud de déplacement).
- Extrémité libre : , . Réflexion sans inversion (ventre de déplacement).
- Milieux adaptés : : pas de réflexion, l'onde passe intégralement.
3.3 Bilan d'énergie : coefficients en puissance
Les coefficients et décrivent les amplitudes. Le partage de l'énergie se fait par les coefficients en puissance.
Si , et désignent les puissances moyennes incidente, réfléchie et transmise à travers l'interface,
La puissance moyenne transportée par une onde progressive est proportionnelle à fois le carré de l'amplitude de flux (ou ). Pour la corde, .
Démonstration (La relation )
Le coefficient en puissance de réflexion (même milieu) est . Pour la transmission, il faut tenir compte du changement d'impédance : donne
On vérifie la conservation de l'énergie :
La relation traduit la conservation de l'énergie : aucune énergie n'est stockée ni dissipée à une interface non absorbante. Elle est universelle, indépendante de la nature de l'onde.
3.4 Acoustique : interface entre deux fluides
Une onde sonore plane se propage dans un fluide (, impédance ) et rencontre en incidence normale un fluide (). Les grandeurs sont la surpression et la vitesse , liées par (onde ) ou (onde ).
À l'interface : continuité de la surpression (équilibre mécanique de l'interface) et continuité de la vitesse normale (les fluides restent au contact).
Démonstration (Coefficients acoustiques)
Notons et (coefficients en surpression). La continuité de donne . La continuité de s'écrit, avec pour les ondes progressives et pour l'onde réfléchie :
On obtient
Les coefficients en vitesse en découlent : et . Les coefficients en puissance surfacique moyenne valent
et . Alors
soit . Le désaccord d'impédance est tel que le son est presque totalement réfléchi : c'est pourquoi on n'entend quasiment rien de l'extérieur la tête sous l'eau.
3.5 Ondes électromagnétiques en incidence normale
Une onde plane progressive harmonique, polarisée rectilignement, arrive sous incidence normale sur l'interface plane entre deux milieux diélectriques d'indices (éventuellement complexes) et . On admet la continuité des composantes tangentielles de et de .
Démonstration (Coefficients en champ électrique)
Avec et , le problème est formellement identique à l'acoustique en remplaçant et . La continuité de donne ; celle de donne . Il vient, en repassant aux indices () :
En puissance :
Air () vers verre () : , donc . Une vitre renvoie environ de l'intensité par face — d'où les reflets. Le signe signale un déphasage de à la réflexion sur un milieu plus réfringent.
Pour un milieu absorbant (métal, plasma), est complexe et les formules restent valables : tend vers pour un bon conducteur, ce qui explique le pouvoir réfléchissant des métaux.
3.6 Adaptation d'impédance
Le partage réflexion/transmission dépend uniquement du contraste . La transmission d'énergie est maximale (, ) lorsque : on dit alors que les impédances sont adaptées.
Le transfert de puissance d'un milieu à l'autre est maximal quand les impédances sont égales. Un fort désaccord d'impédance ( ou ) entraîne une réflexion quasi totale et une transmission médiocre.
Pour relier sans réflexion deux milieux d'impédances et , on intercale une couche d'épaisseur (dans la couche) et d'impédance intermédiaire
C'est le principe des traitements anti-reflet en optique et des adaptateurs acoustiques (gel échographique entre la sonde et la peau).
3.7 Application à la ligne coaxiale
3.7.1 Impédance caractéristique
Une ligne (câble coaxial) est décrite par une inductance linéique et une capacité linéique . La tension et le courant obéissent aux équations des télégraphistes ; les ondes progressives se propagent à et vérifient avec l'impédance caractéristique
3.7.2 Réflexion en bout de ligne
La ligne, de longueur finie, est terminée par une impédance de charge . À l'extrémité, . Le coefficient de réflexion en tension est défini par .
Démonstration (Coefficient de réflexion terminal)
En bout de ligne, et . La condition donne
- Ligne adaptée : , aucune réflexion, toute l'énergie est absorbée par la charge.
- Circuit ouvert : , réflexion totale, la tension se double à l'extrémité.
- Court-circuit : , réflexion totale avec inversion de la tension.
- Charge résistive : , réflexion partielle.
En envoyant une impulsion dans un câble et en mesurant l'écho renvoyé (temps d'aller-retour et signe de ), on localise et identifie un défaut : coupure () ou court-circuit (). C'est la réflectométrie temporelle (TDR).
3.8 Synthèse du chapitre
- L'impédance résume la réponse d'un milieu : (corde), (acoustique), (électromagnétisme), (ligne).
- Coefficients en amplitude (côté « déplacement/vitesse ») :
- Coefficients en puissance : , , avec toujours .
- EM en incidence normale : , ; vitre air/verre : .
- Adaptation d'impédance : transfert d'énergie maximal quand ; adaptateur quart d'onde .
- Ligne coaxiale : ; adaptée (), ouverte (), court-circuitée ().
<i class="fa-solid fa-dumbbell mr-2" style="color:#2E7559"></i>3.9 Exercices résolus
Deux cordes de même tension sont raboutées, avec . Calculer , , et .
Démonstration
donc . Ainsi
Vérification directe : . ✓
Retrouver le coefficient de réflexion d'une corde attachée à un mur, puis reliée à un anneau glissant sans frottement.
Démonstration
Mur : le second milieu est infiniment rigide, , d'où : onde inversée, nœud de déplacement. Anneau libre : aucune force de rappel transverse, , : onde non inversée, ventre de déplacement. Dans les deux cas , : réflexion totale.
Estimer le pourcentage d'énergie sonore transmise de l'air () à l'eau () en incidence normale.
Démonstration
Soit : la quasi-totalité de l'énergie est réfléchie. Le fort désaccord d'impédance rend le couplage air/eau très inefficace.
Montrer qu'une couche d'impédance présente le même contraste d'impédance aux deux interfaces successives et .
Démonstration
Avec on a , donc : le contraste d'impédance est identique aux deux traversées. La couche répartit le saut en deux marches égales ; avec l'épaisseur , les deux ondes réfléchies interfèrent destructivement et la réflexion globale s'annule. C'est le principe du gel échographique et des traitements anti-reflet.
Une lame de verre () est éclairée en incidence normale par de la lumière venant de l'air. Estimer la fraction transmise après les deux faces (en négligeant les interférences).
Démonstration
À chaque face, . Chaque interface transmet . Après deux faces (indépendantes), la transmission est , soit environ de pertes par réflexion. D'où l'intérêt des traitements anti-reflet sur les optiques.
Un câble coaxial est fermé sur une résistance . Calculer et la fraction de puissance réfléchie.
Démonstration
La puissance réfléchie vaut , soit . Une adaptation annulerait la réflexion et maximiserait la puissance délivrée à la charge.
Une impulsion de tension est envoyée dans un câble (, ) de longueur laissé ouvert au bout. Décrire l'écho reçu à l'entrée.
Démonstration
Extrémité ouverte : , . L'impulsion se réfléchit sans inversion et revient à l'entrée après un aller-retour de durée
On observe donc, après l'émission, un écho de même signe : signature d'une coupure. Un court-circuit () donnerait un écho inversé.
3.10 Exercices d'entraînement
- Impédances. Calculer l'impédance mécanique d'une corde de tendue à . En déduire la célérité.
- Corde allégée. Deux cordes de même tension avec . Calculer , , , et commenter le signe de .
- Continuités. Justifier physiquement pourquoi la force transverse est continue à la jonction de deux cordes sans masse ponctuelle ajoutée.
- Perle ponctuelle. On ajoute une masse ponctuelle à la jonction (). Écrire la nouvelle condition de continuité de la force et discuter qualitativement l'apparition d'une réflexion.
- Acoustique. Interface eau () / air (). Donner les signes de et et interpréter le déphasage de la surpression réfléchie.
- Bilan d'énergie. Démontrer à partir des expressions générales de et en fonction de et .
- Verre traité. On veut annuler la réflexion air () / verre () par une couche anti-reflet. Donner l'indice idéal de la couche.
- Métal. En modélisant un métal par un indice de grand module, expliquer pourquoi et relier ce résultat au pouvoir réfléchissant des miroirs métalliques.
- Ligne adaptée. Un câble alimente une antenne . Calculer et la puissance réfléchie ; commenter l'intérêt de l'adaptation.
- Court-circuit. Même câble fermé sur un court-circuit. Donner et décrire l'écho reçu à l'entrée en signe et en instant.
- Charge résistive. Un câble est fermé sur . Calculer , puis la valeur de qui minimiserait la réflexion.
- Réflectométrie. Une impulsion envoyée dans un câble () revient inversée après . Déterminer la nature et la position du défaut.