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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.

Définition 3.1Impédance caractéristique

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 .

DomaineEffortFluxImpédance
Corde tendueforce transverse vitesse transverse
Acoustiquesurpression vitesse
Électromagnétismechamp champ
Ligne électriquetension courant
iRemarque

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

ImportantLes deux conditions à l'interface

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 ),

iRemarqueCas limites
  • 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.

Définition 3.2Coefficients 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 :

Important

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 ).

ImportantContinuités acoustiques

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

Exemple 3.3Interface air / eau

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 :

Exemple 3.4Réflexion sur une vitre

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.

iRemarqueIndices complexes

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.

ImportantAdaptation d'impédance

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.

Proposition 3.5Adaptateur quart d'onde

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

ImportantTrois terminaisons de référence
  • 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.
iRemarqueRéflectométrie

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

Exemple 3.6Deux cordes de masses différentes

Deux cordes de même tension sont raboutées, avec . Calculer , , et .

Démonstration

donc . Ainsi

Vérification directe : . ✓

Exemple 3.7Extrémités fixe et libre

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.

Exemple 3.8Transmission son air eau

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.

Exemple 3.9Adaptateur quart d'onde

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.

Exemple 3.10Vitre : réflexion sur les deux faces

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.

Exemple 3.11Câble mal terminé

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.

Exemple 3.12Écho sur une ligne ouverte

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

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