Déphasage

Le déphasage est le décalage temporel ou angulaire entre deux oscillations de même fréquence, exprimé en radians ou en fraction de période.

Observer expérimentalement le déphasage

Avec FizziQ et une source sonore alimentant deux haut-parleurs, les élèves peuvent observer les effets du déphasage entre deux ondes de même fréquence.

Étapes :

• Utiliser une seule source (un smartphone ou un ordinateur) émettant un son pur de même fréquence (par exemple 440 Hz) à l’aide de la bibliothèque de sons de FizziQ, reliée à deux haut-parleurs placés à quelques dizaines de centimètres l’un de l’autre. Comme les deux haut-parleurs sont alimentés par le même signal, les ondes émises sont cohérentes et gardent un déphasage fixe : la figure d’interférence est stable.
• Attention : deux smartphones indépendants ne conviennent pas. Leurs horloges ne sont pas synchronisées et dérivent l’une par rapport à l’autre ; le déphasage change sans cesse, ce qui produit des battements lents au lieu d’une figure stable.
• Avec un troisième smartphone, mesurer le niveau sonore en différents points situés face aux deux haut-parleurs.
• Déplacer lentement l’appareil de mesure parallèlement aux haut-parleurs. Observer l’alternance de zones où le son est renforcé (ondes en phase) et de zones où il est atténué (ondes en opposition de phase).
• Interpréter : quand la différence de trajet entre les deux haut-parleurs correspond à une demi-longueur d’onde, les deux ondes arrivent en opposition de phase et s’annulent partiellement.

Activités scientifiques sur ce thème

Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent d’observer et comprendre le déphasage entre deux ondes.

• Une bulle sans bruit - Comment fonctionne la technologie de réduction de bruit active de casques audio ?

• Battements acoustiques - Comment l’effet de battement acoustique est utilisé en musique électronique

• Addition des ondes sonores - Quelle est l’augmentation du niveau sonore quand on additionne deux ondes de même intensité ?

• Effet Doppler - Mesure de l’effet Doppler en utilisant la bibliothèque de sons de FizziQ

En savoir plus

Un peu d’histoire

Le concept de déphasage se développe au XIXe siècle avec Augustin Fresnel, qui utilise les différences de phase pour expliquer les figures de diffraction de la lumière. Ses travaux confirment définitivement la nature ondulatoire de la lumière et introduisent le calcul des interférences.

Déphasage et battements

Quand deux sons de fréquences légèrement différentes se superposent, leur déphasage relatif change continuellement. Cela produit le phénomène de battements : le son semble osciller entre fort et faible. Les musiciens utilisent ce phénomène pour accorder leurs instruments.

Applications technologiques

Le déphasage est au cœur de nombreuses technologies : les antennes à commande de phase (radars, 5G) orientent leur faisceau en contrôlant le déphasage entre les éléments du réseau. Les filtres audio exploitent le déphasage pour sélectionner ou rejeter des fréquences.

Expériences complémentaires

L’expérience Une bulle sans bruit illustre concrètement comment le déphasage est utilisé dans les casques à réduction de bruit active.

Formule

φ = 2π × Δt / T

Signification :

φ : déphasage (rad)

Δt : décalage temporel entre les deux signaux (s)

T : période commune aux deux signaux (s)

Pour deux points d’une même onde séparés d’une distance d :

φ = 2π × d / λ

d : distance entre les deux points (m)

λ : longueur d’onde (m)

Exemples d’application

• Les casques à réduction de bruit créent un son en opposition de phase avec le bruit ambiant pour l’annuler

• En stéréo, un léger déphasage entre les deux haut-parleurs crée la sensation de spatialisation du son

• Le phaser et le flanger en musique électronique sont des effets produits par un déphasage variable

• Les réseaux d’antennes à commande de phase (phased array) orientent leur faisceau en ajustant le déphasage entre leurs éléments, sans pièce mobile

• Deux haut-parleurs branchés en opposition de phase produisent un son faible car les ondes s’annulent partiellement

FAQ

Q : Qu’est-ce que des signaux en phase ? R : Deux signaux sont en phase quand ils oscillent exactement au même rythme et au même moment. Leur déphasage est nul (0 rad). Quand ils se superposent, ils s’ajoutent et produisent un signal d’amplitude double.

Q : Qu’est-ce que l’opposition de phase ? R : Deux signaux sont en opposition de phase quand leur déphasage est de π rad (180°). Quand l’un est à son maximum, l’autre est à son minimum. Leur superposition produit un signal d’amplitude réduite, voire nulle.

Q : Comment un casque antibruit utilise-t-il le déphasage ? R : Le casque capte le bruit ambiant, puis émet un son identique mais en opposition de phase (déphasage de π). Les deux ondes s’annulent, réduisant considérablement le bruit perçu.

Q : Le déphasage dépend-il de la fréquence ? R : Le déphasage entre deux points d’une onde dépend de la distance entre ces points et de la longueur d’onde, donc indirectement de la fréquence. Pour une même distance, un son aigu a un déphasage plus grand qu’un son grave.

Q : Comment mesurer un déphasage ? R : On mesure le décalage temporel Δt entre les deux signaux sur un oscillogramme, puis on calcule φ = 2π × Δt / T.

Concepts liés

Interférences - Phase - Longueur d’onde - Différence de marche - Onde sonore - Superposition - Battements