Réfraction et réflexion d'une onde sonore

Objectif

  • Mettre en évidence le phénomène de réflexion totale.

  • Mettre en évidence l'existence d'un autre type d'ondes sonores : les ondes transverses.

Théorie

A la traversée d'une surface séparant deux milieux 1 et 2 d'impédances acoustiques différentes, des lois similaires aux lois de Descartes permettent de calculer les angles de réfraction \(i_2\) et de réflexion \(i'_{1}\) pour les ondes acoustiques en fonction de l'angle de l'onde incidente \(i_1\) :

\(\frac{sin\: i_{1}}{c_{1}}=\frac{sin\: i_{2}}{c_{2}}\)

Dans un fluide, seules des ondes longitudinales peuvent exister.

Par contre, dans un solide, des ondes transversales sont susceptibles de prendre naissance dans le cas où des ondes longitudinales sont incidentes sur sa surface.

Dans un solide, il existe donc deux types d'ondes (transversales et longitudinales) de vitesse différentes (notées \(c_T\), et \(c_L\) respectivement).

Protocole expérimental

  1. Remplir la cuve d'eau de telle sorte que le niveau d'eau soit plus haut que la position des sondes.

  2. Régler la puissance d'émission sur 10 dB et le gain sur 25 dB.

  3. Ajuster la position des sondes de telle sorte que le signal soit maximum.

  4. Insérer l'échantillon en acrylique, et placer le curseur sur 60◦.

  5. Ajuster la position de l'échantillon de telle sorte que le signal soit maximum.

  6. Revenir à zéro° et visualiser les échos. Augmenter progressivement l'angle afin de voir apparaître un second pic pour des temps plus grands.

    Le premier pic correspond aux ondes longitudinales (seules à exister lorsque l'incidence est faible) et le second correspond aux ondes transversales.

  7. En déduire par un raisonnement simple laquelle de ces deux ondes possède une vitesse plus élevée.

  8. Sans toucher aux réglages de gain, mesurer l'amplitude des ondes longitudinales et transversales en fonction de l'angle d'incidence.

    Faire varier l'angle par pas d'une demi graduation.

  9. Tracer l'évolution de l'amplitude en fonction de l'angle sur un graphe.

  10. Mesurer l'angle pour lequel les ondes longitudinales disparaissent.

    Cet angle correspond `à l'angle de réflexion totale \(\lambda\).

  11. En déduire la vitesse des ondes sonores \(c_L\) dans l'acrylique.

    Est-ce cohérent avec les mesures précédentes?

  12. Estimer l'angle de réflexion totale pour les ondes transversales.

    En déduire approximativement \(c_T\).

  13. Refaire la même expérience pour le bloc d'aluminium.

    En déduire les vitesses des ondes sonores.