Caractériser les phénomènes ondulatoires - Cours et exercices de Physique, Terminale Générale

Intensité et niveau d'intensité sonores

L'onde sonore ou acoustique se propage dans les trois dimensions de l'espace de façon approximativement isotrope. L'oreille humaine est capable d'entendre un grand nombre de fréquences et de sons de puissances très diférentes.

1. Intensité sonore

Une source sonore émet un son avec une puissance P exprimée en watt (W). L'onde peut être représentée sous la forme d'une sphère de rayon r grandissant au fur et à mesure que l'onde progresse. La puissance sonore se répartit sur une surface devenant de plus en plus grande au fur et à mesure.

Diffraction d'une onde

La lumière a pour propriété géométrique de se propager en ligne droite dans un milieu homogène et isotrope. Pourtant certaines zones peuvent apparaître éclairées alors qu'elles auraient dû rester normalement dans l'ombre. Seule une approche de la lumière par un modèle ondulatoire permet d'expliquer ce phénomène.

1. Diffraction des ondes mécaniques

a. Le phénomène de diffraction des ondes mécaniques

Les vagues à la surface de l'eau se déplacent en formant des figures géométriques bien régulières, des cercles si l'excitateur est ponctuel. En isolant un arc de cercle, celui-ci forme progressivement un segment de droite lorsque la distance à la source devient importante. Il est aussi possible de créer des vagues formant des segments de droite à partir d'une source plane.
À la rencontre d'un obstacle, les vagues sont arrêtées. Pourtant, si on laisse une ouverture dans l'obstacle, on se rend compte que les vagues changent progressivement de géométrie en fonction des dimensions de l'ouverture.

Interférences de deux ondes

Deux ondes progressives se croisant peuvent provoquer une intensification locale de leurs amplitudes, ou l'annulation de l'amplitude résultante. Le système peut alors être le siège d'un phénomène d'interférences.

1. Interférences de deux ondes mécaniques

a. Croisement de deux ondes mécaniques

Des gouttes de pluies tombant sur de l'eau provoquent des perturbations sous la forme d'ondes circulaires. Ces perturbations se propagent et se croisent. On constate expérimentalement qu'une fois le croisement effectué, ces ondes poursuivent leur propagation, sans modification particulière de leur forme.

Interférence de deux ondes lumineuses

Le phénomène d'interférence avec la lumière a été observé pour la première fois au XIX^e siècle par Thomas Young. En plaçant sur le trajet de la lumière un cache percé de deux trous, il observe sur un écran des zones de lumière et des zones sombres qu'il a appelées franges d'interférence.

1. Interférences lumineuses produites par des fentes d'Young

Ce phénomène s'observe actuellement plus facilement à l'aide d'un Laser. Deux fentes parallèles sont percées à travers un objet opaque. Le faisceau Laser est envoyé sur ces ouvertures et la lumière est projetée sur un écran placé à la distance D.

Une tache centrale très lumineuse est observée accompagnée de taches latérales moins intenses. Ces observations sont caractéristiques d'un phénomène de diffraction de la lumière.
Des successions de zones claires et sombres régulièrement espacées peuvent aussi être observées à l'intérieur des taches de diffraction. Ces zones forment des bandelettes appelées franges d'interférence. Elles n'existent que si le nombre de fentes présentes est au moins de deux : 

Effet Döppler

Jusqu'à présent ont été étudiés des systèmes fixes émettant des ondes. Or la très grande majorité des systèmes sont en mouvement ce qui provoque des modifications des fréquences des ondes reçues par un observateur. Il ne s'agit que de fréquences apparentes car la fréquence émise est constante.

1. Description de l'effet Döppler

Une ambulance se déplace en émettant un signal sonore. Le signal reçu par un observateur en aval du signal apparaît plus aigü que le signal reçu par un observateur en amont. Cet effet porte le nom d'effet Döppler.

Une ambulance produit des ondes sonores pouvant être modélisées par des sphères, des cercles à deux dimensions.

Si l'ambulance est arrêtée, les cercles possèdent tous le même centre.

Si l'ambulance avance avec une vitesse d'émetteur v_E, elle émet des ondes sonores à intervalles de temps périodiques, de période T_E. Sachant que le le lieu d'émission change à chaque période, les cercles possèdent un centre en mouvement.