Propagation dans différents milieux | Ondes et signaux - Physique Chimie Seconde

• 1 Transmission d'énergie sans transport de matière
• 2 Dépend des propriétés physiques du milieu
• 3 Vitesse variable selon le milieu traversé
• 4 Peut être affectée par la température, la pression et la densité

Caractérisés par une structure rigide où les particules sont fortement liées.

• Exemples : métaux, bois, béton
• Vitesse de propagation élevée
• Transmettent bien les ondes sonores

Particules plus mobiles que dans les solides mais encore proches les unes des autres.

• Exemples : eau, huile, mercure
• Vitesse de propagation intermédiaire
• Bonne transmission des sons

Particules très espacées et mobiles.

• Exemples : air, dioxygène, azote
• Vitesse de propagation plus faible
• Transmission possible mais atténuée

Absence totale de matière.

• Les ondes sonores ne se propagent pas dans le vide
• Nécessite un support matériel
• Contrairement aux ondes électromagnétiques

Où :

• v = vitesse de propagation
• E = module d'élasticité du milieu
• ρ = masse volumique du milieu

La vitesse du son dans un gaz augmente avec la température :

Où :

• v₀ = vitesse à la température de référence T₀
• T = température absolue (en Kelvin)
• v = vitesse à la température T

Exemple : Dans l'air, la vitesse du son passe de 331 m/s à 0°C à 343 m/s à 20°C.

L'effet de la température est généralement moindre dans les milieux condensés (liquides et solides) car les forces intermoléculaires dominent.

• Dans les liquides : légère augmentation avec la température
• Dans les solides : variation complexe dépendant du matériau

À température ambiante (20°C) et pression atmosphérique normale (1013 hPa) :

• Vitesse du son : 343 m/s
• Densité : 1,2 kg/m³
• Température : 293 K

• 1 Compression et raréfaction des molécules d'air
• 2 Formation d'ondes longitudinales
• 3 Atténuation progressive avec la distance
• 4 Diffraction autour des obstacles

À température ambiante (20°C) :

• Vitesse du son : 1 480 m/s (environ 4,3 fois plus rapide que dans l'air)
• Densité : 1 000 kg/m³
• Pression : dépend de la profondeur

• 1 Sonar pour la navigation sous-marine
• 2 Communication entre animaux marins
• 3 Échographie médicale
• 4 Détection d'objets sous-marins

Les solides permettent la propagation de deux types d'ondes :

• Ondes longitudinales : compression et raréfaction parallèles à la direction de propagation
• Ondes transversales : déformation perpendiculaire à la direction de propagation

• Acier : 5 960 m/s (longitudinales), 3 200 m/s (transversales)
• Aluminium : 6 320 m/s (longitudinales), 3 100 m/s (transversales)
• Verre : 5 640 m/s (longitudinales), 3 100 m/s (transversales)
• Bois (selon la direction) : 3 300-4 000 m/s

L'atténuation est la diminution de l'intensité d'une onde lors de sa propagation dans un milieu absorbant.

Elle résulte de la conversion d'une partie de l'énergie acoustique en chaleur.

• 1 Fréquence de l'onde (plus fréquente = plus atténuée)
• 2 Distance parcourue
• 3 Nature du milieu
• 4 Température du milieu

L'intensité I d'une onde après avoir parcouru une distance d est donnée par :

Où :

• I₀ = intensité initiale
• α = coefficient d'absorption
• d = distance parcourue

L'onde sonore parcourt la distance aller-retour (2 × 170 = 340 m) en 1 seconde.

Distance totale parcourue : d = 2 × 170 = 340 m

Temps total : t = 1 s

Vitesse du son : v = d/t = 340/1 = 340 m/s

Sachant que v = 331 + 0.6 × T (où T est la température en °C) :

340 = 331 + 0.6 × T

0.6 × T = 9

T = 15°C

Dans l'air : t₁ = d/v₁ = 100/340 ≈ 0,294 s

Dans l'acier : t₂ = d/v₂ = 100/5960 ≈ 0,017 s

Délai : Δt = t₁ - t₂ = 0,294 - 0,017 = 0,277 s

Ce délai existe parce que la vitesse de propagation est beaucoup plus élevée dans les solides (acier) que dans les gaz (air).

Le rapport des vitesses est : 5960/340 ≈ 17,5, donc le son met environ 17,5 fois moins de temps à parcourir la même distance dans l'acier que dans l'air.

Quand une onde sonore arrive à l'interface entre deux milieux différents :

• Une partie est réfléchie (retourne dans le premier milieu)
• Une partie est transmise (pénètre dans le second milieu)
• Une partie est absorbée (convertie en chaleur)

Le comportement dépend des impédances acoustiques des deux milieux :

Z = ρ × v (où ρ est la densité et v la vitesse de propagation)

Plus la différence d'impédance est grande, plus il y a réflexion.

Utilisation des ultrasons dans les tissus corporels pour créer des images internes.

• Fréquences : 2-15 MHz
• Propagation dans les tissus biologiques
• Réflexion aux interfaces entre différents tissus

Technique de détection sous-marine basée sur la propagation du son dans l'eau.

• Émission d'impulsions sonores
• Mesure du temps de retour de l'écho
• Calcul de la distance à l'obstacle

Utilisation des ondes ultrasonores pour détecter des défauts dans les matériaux solides.

• Propagation dans les métaux
• Réflexion sur les fissures ou inclusions
• Analyse des échos pour localiser les défauts

• 1 Les ondes sonores se propagent dans les milieux matériels (solides, liquides, gaz)
• 2 Elles ne se propagent pas dans le vide
• 3 La vitesse dépend du milieu et de ses conditions physiques

• 1 Solides > Liquides > Gaz
• 2 La vitesse est proportionnelle à la racine carrée du module d'élasticité divisé par la densité
• 3 La température influence la vitesse dans les gaz

• 1 Réflexion, transmission et absorption aux interfaces
• 2 Atténuation avec la distance
• 3 Diffraction et interférence