Terminale spécialité_Thème 2_SON ET MUSIQUE Emetteurs et récepteurs sonores_AE 2

M.Meyniel 1/3

… VERS L’ACOUSTIQUE MECANIQUE

Toujours dans un désir de copier la Nature, l’Homme s’est une nouvelle fois basé sur ses observations

et ses connaissances. Ainsi, par analogie avec les cordes vocales et la cochlée, il a mis au point deux appareils au

fonctionnement similaire : le haut-parleur pour émettre et le microphone pour recevoir les ondes sonores.

Ces deux appareils sont appelés des transducteurs électromécaniques. Ils possèdent tous les deux : une membrane, un

aimant et une bobine de fil électrique.

Comment un simple haut-parleur branché à un amplificateur produit-il un son comme peut le faire l’Homme ?

Comment le microphone peut-il recevoir puis transmettre un signal sonore à l’instar de l’oreille ?

I. Un peu d’histoire des sciences.

Document 5 : Expériences historiques d’Œrsted (Hans Christian Œrsted, 1777 – 1851)

Au début du XIXème siècle, Œrsted réalise devant ses élèves une expérience scientifique par laquelle il veut démontrer qu’un fil traversé par un courant électrique s’échauffe. En alimentant le circuit en courant, il observe alors une aiguille de boussole, placée sur une planche en bois et qui traînée sur son bureau à proximité du fil préparé pour l’expérience, se mettre en mouvement et s’orienter parallèlement au fil conducteur. Œrsted remarque, à sa grande surprise, que le fil conducteur influence l’aiguille aimantée de la boussole lorsqu’il est parcouru par un courant électrique puisque l’aiguille retourne dans sa position initiale dès que le courant est coupé. Il écrit : « l’aiguille aimantée est déviée de sa position d’équilibre par l’action de l’appareil voltaïque ». Cette découverte, contraire aux idées de l’époque, fut recommandée et interprétée par le français A-M Ampère en 1820. Ampère affirme que le « fluide électrique » est un « courant » qui se déplace d’une borne du générateur vers l’autre à travers le circuit et que c’est à cause de ce déplacement que l’électricité agit sur l’aiguille de la boussole. I l choisit arbitrairement un sens au courant électrique.

1. Quel est le matériel utilisé par Œrsted pour réaliser ces expériences ?

2. Qu’a constaté Œrsted lors de son expérience ?

3. L’aiguille de la boussole tourne-t-elle toujours dans le même sens lorsqu’on inverse le

branchement aux pôles de la pile ?

4. Qu’induit donc un champ électrique dans son voisinage ?

Document 6 : Expérience du « rail de Laplace »

On réalise le montage ci-contre. On met sous tension le générateur et on ferme l’interrupteur.

5. Noter vos observations.

Rappels de 1ère S : On représente le champ magnétique en un point A de l’espace par un vecteur champ magnétique tel que :

- son origine est le point A ;

- sa direction est celle qu’aurait une aiguille aimantée placée en ce point. ;

- son sens est orienté du pôle sud vers le pôle nord de l’aiguille aimantée ;

- sa valeur se mesure à l’aide d’un teslamètre (s’exprime en Tesla, de symbole T).

6. Le mouvement de la tige métallique dépend du champ magnétique et de l’intensité du courant

électrique I.

Proposer un protocole permettant de montrer l’influence de ces différents facteurs.

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Document 7 : La force de Laplace (Pierre-Simon de Laplace, 1749 – 1827)

Le mouvement de la tige est dû à la force de Laplace. Un conducteur parcouru par un courant électrique d’intensité I placé dans un champ

magnétique est soumis à la force de Laplace. La règle des « 3 doigts » permet de prévoir le sens de la force de Laplace. L’intensité de la force de Laplace est égale à : F = I.L.B avec L la longueur de la tige métallique placé dans le

champ magnétique et parcouru par un courant électrique d’intensité I.

7. Complétez le schéma du document 6 ainsi que les deux

autres schémas ci-contre.

8. Qu’induit donc un champ électrique dans un champ magnétique ?

II. Le haut-parleur

1. Annoter le schéma descriptif du haut-parleur ci-contre.

2. Représenter, sur la figure ci-dessus, le champ

magnétique dans l’entrefer.

3. Représenter la direction de la force de Laplace et

préciser les deux sens possibles.

4. A l’aide des documents historiques et en vous appuyant

sur l’expérience présentée au fond de la salle par le professeur,

expliquer le principe de fonctionnement d’un haut-parleur.

On précisera l’élément mobile et la production des ondes sonores.

Quelques liens utiles : http://www.youtube.com/watch?v=Li8zjbnLFvs

http://physiquecollege.free.fr/physique_chimie_college_lycee/lycee/premiere_1S/haut_parleur_force_laplace.htm

III. Le microphone.

L’induction électromagnétique est l’apparition d’un courant électrique dans un conducteur

fermé lorsqu’il y a variation d’un champ magnétique au cours du temps. Plus cette variation est importante,

plus l’intensité du courant produit est élevée.

1. Comment mettre en évidence l’induction magnétique à l’aide d’une bobine conductrice de courant,

d’un ampèremètre et d’un aimant droit ?

2. Complétez le schéma descriptif d’un microphone.

3. Après avoir montré les points communs avec

le haut-parleur, expliquer le principe de

fonctionnement du microphone.

Quelques liens utiles : http://tpe.57.free.fr/micro.swf

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CORRECTION : … vers l’acoustique mécanique

I. Un peu d’histoire des sciences.

1. Le matériel utilisé par Œrsted pour réaliser ces expériences est : un fil électrique, une aiguille aimantée (une boussole), un

générateur (appareil voltaïque) et une résistance (pour éviter les courts circuits …).

2. Lors de son expérience, Œrsted constate qu’en présence d’un courant électrique, l’aiguille aimantée prend une orientation

privilgiée.

3. L’aiguille de la boussole tourne dans le sens opposé lorsqu’on inverse le sens du courant. On peut en conclure que la déviation

dépend du sens du courant.

4. L’aiguille s’orientant par rapport au champ magnétique local, on en déduit que le champ électrique induit un champ magnétique

dans son voisinage.

5. Lors de l’expérience des rails de Laplace, en fermant l’interrupteur, on constate que la tige métallique se met en mouvement.

6. Pour montrer que le mouvement de la tige dépend du champ magnétique, on peut soit retirer l’aimant soit le retourner pour

inverser les deux pôles tout en conservant un courant électrique dans le montage :

- sans aimant, il n’y a aucun mouvement ;

- en retournant l’aimant, le sens du mouvement est différent.

De la même façon, on peut étudier l’influence du sens du courant électrique en présence d’un champ magnétique uniforme :

- en l’absence de courant, il n’y a aucun mouvement ;

- si on inverse les branchements aux bornes du générateur, le sens du mouvement change.

7.

8. En présence d’un champ magnétique, un champ électrique induit

un mouvement des parties mobiles et conductrices.

II. Le haut-parleur

1.

2.

3.

4. Le champ magnétique demeure toujours le même. Lorsque

le haut-parleur est alimenté en courant électrique alors cela induit un

mouvement de la bobine mobile dû à la force de Laplace.

La membrane du haut-parleur étant liée à la bobine, elle se met aussi

à vibrer entraînant la vibration des molécules de l’air et donc la

production d’une onde sonore.

III. Le microphone

1. Pour mettre en évidence l’induction magnétique, on peut brancher une

bobine directement sur un ampèremètre. On introduit un aimant plus ou moins

rapidement dans la bobine et on constate que l’intensité varie en fonction de la

rapidité à laquelle on introduit l’aimant dans la bobine. De même, en retirant

plus ou moins vite l’aimant de la bobine. Cette fois-ci, l’intensité du courant est

négative.

(sinon la bobine peut bouger autour de l’aimant ; l’essentiel étant d’avoir un mouvement relatif entre les deux objets.)

2. Le haut-parleur et le microphone sont tous les deux constitués des mêmes éléments : membrane, aimant et bobine.

Dans le cas du microphone, lorsque l’on parle, on fait vibrer la membrane qui est solidaire à la bobine. Lorsque l’ensemble

bouge autour de l’aimant, cela induit un courant électrique grâce à l’induction électromagnétique qui est ensuite capté par

l’amplificateur.

Dans le cas du haut-parleur, cette fois-ci, c’est l’amplificateur qui envoie un courant électrique dans la bobine. Grâce à la

force de Laplace et à l’aimant, l’ensemble « membrane + bobine » se met en mouvement et à vibrer. Ce qui induit un son.

Conclusion : Ces deux dispositifs sont appelés « transducteurs électromécaniques » car ils convertissent de l’énergie électrique

en énergie mécanique pour le haut-parleur ou, inversement, de l’énergie mécanique en énergie électrique dans le cas du microphone.

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