physique des ondes (PTSI) · Chapitre 3 · Exercice de TD
Deux haut-parleurs pilotés : orienter un faisceau
Interférences · C. Interférences acoustiques · niveau 3 (difficile)
Énoncé
Deux petits haut-parleurs et , distants de , émettent un son de même fréquence (). On observe en un point très éloigné (, milieu de ), dans la direction faisant l'angle avec la médiatrice de , compté positivement du côté de . Le haut-parleur peut être alimenté avec un retard électronique par rapport à : si émet , émet .
1) Établir, pour , la différence de marche .
2) Sans retard () : donner les directions des maxima et des minima d'intensité. Cas et : combien de maxima ? Cas : directions des maxima et des minima.
3) Avec le retard : exprimer le déphasage total entre les deux ondes en ; montrer que le maximum central est dans la direction telle que . Interpréter. Valeur de pour avec . Ce réglage dépend-il de la fréquence ?
4) Un appareil plus simple impose un déphasage fixe (au lieu d'un retard), réglé pour envoyer le maximum central à à . Dans quelle direction part-il à , à ? Pourquoi les systèmes de sonorisation de concert utilisent-ils des retards ?
5) Les radars à balayage électronique appliquent la même idée à des ondes électromagnétiques de longueur d'onde centimétrique, avec des centaines d'émetteurs. Pourquoi le faisceau peut-il y être réorienté sans aucune pièce mobile ?
Corrigé
Ce qu'on a le droit d'utiliser. Une onde émise en arrive en avec le retard ; le déphasage entre deux ondes de même fréquence se lit sur leurs phases ; la méthode du cours pour la différence de marche des trous d'Young (projection de sur la direction d'observation).
1) La différence de marche à grande distance. Pour , les droites et sont pratiquement parallèles, de direction . Abaissons de la perpendiculaire sur , de pied : l'arc de centre passant par se confond avec cette perpendiculaire, donc et . Dans le triangle rectangle , d'hypoténuse , l'angle en est égal à (angles à côtés perpendiculaires), d'où Elle est positive du côté de (), où est plus proche. Contrôle : sur la médiatrice, dans le prolongement de , conformément à la borne de l'exercice 3.
2) Sans retard. Les sources sont en phase : maxima pour , minima pour . À , .
- : n'admet que , un seul maximum, dans l'axe () ; les minima, , sont à , dans l'alignement des haut-parleurs.
- : donne des maxima à , et ; les minima, , sont à et .
3) Le retard électronique. L'onde issue de a été émise avec le retard , puis a voyagé pendant ; celle de a voyagé pendant . En : avec la même amplitude à grande distance. Le déphasage de par rapport à vaut Déphasage total = terme de propagation moins déphasage à l'émission . Le maximum central, , est dans la direction Interprétation. Dans la direction , l'onde de a un trajet plus court de , donc une avance ; le retard électronique la compense exactement : les deux ondes arrivent ensemble. Application : . La condition ne contient pas la fréquence : un même retard oriente le lobe central dans la même direction pour toutes les fréquences — ce qui est indispensable pour de la musique, qui en contient beaucoup.
4) Le déphasage fixe. Un déphasage remplace ; le maximum central vérifie . Le réglage à () donne . Alors :
- à , , : le lobe part à , dans l'alignement des haut-parleurs ;
- à , , : le lobe part à .
Le faisceau « éclate » selon la fréquence : graves d'un côté, aigus de l'autre. Seul un vrai retard donne un déphasage proportionnel à , qui compense un retard de propagation à toute fréquence : c'est pourquoi les sonorisations de concert règlent des retards, et non des phases.
5) Le radar. Le même principe, , s'applique à des émetteurs espacés de quelques centimètres : réorienter le faisceau revient à changer des retards ou des déphasages électroniques, ce qui se fait en des temps de l'ordre de la microseconde. Une antenne tournante met des secondes à balayer l'horizon ; le radar électronique saute d'une cible à l'autre presque instantanément, et ses centaines d'émetteurs rendent le lobe central très étroit.
Homogénéité et cas limites. est sans dimension, comme un sinus ; redonne le lobe dans l'axe ; n'a pas de solution : aucun trajet ne compense un retard supérieur à .
Ce que l'exercice installe. Le déphasage entre deux ondes en un point est la somme d'un déphasage à l'émission et d'un déphasage de propagation ; et un retard se distingue d'un déphasage par sa dépendance en fréquence. La relation de champ lointain , établie ici par la géométrie du cours, est celle des trous d'Young vus sous l'angle .
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