Interférences

Les interférences sont le phénomène de superposition de deux ondes cohérentes qui se renforcent ou s’annulent selon leur déphasage.

Observer expérimentalement les interférences

Avec FizziQ et une source sonore unique reliée à deux haut-parleurs, les élèves peuvent observer les interférences sonores en temps réel.

Étapes :

• Relier deux haut-parleurs à une même source (un smartphone jouant un son pur de fréquence donnée, par exemple 1 000 Hz, via un répartiteur ou les deux voies d’une sortie stéréo) et les placer à environ 50 cm l’un de l’autre, tournés vers la zone d’observation. Utiliser la bibliothèque de sons de FizziQ pour générer le son. Comme les deux haut-parleurs sont alimentés par le même signal, ils émettent des ondes cohérentes (indispensable pour observer des interférences stables) : deux smartphones indépendants ne conviendraient pas, car leurs horloges dérivent et le déphasage entre les deux sons fluctue sans cesse.
• Avec un smartphone équipé de FizziQ en mode Niveau sonore, se déplacer lentement devant les deux haut-parleurs, parallèlement à la ligne qui les relie (ou en suivant un arc de cercle autour d’eux), à distance à peu près constante.
• Observer que le niveau sonore varie : il augmente dans certaines zones (interférences constructives) et diminue dans d’autres (interférences destructives).
• Interpréter : les zones de renforcement correspondent aux endroits où la différence de marche est un multiple de la longueur d’onde. Les zones de silence correspondent à un multiple impair de la demi-longueur d’onde. Sur la médiatrice des deux sources, la différence de marche est nulle et l’on n’observe aucune alternance : c’est en se déplaçant latéralement, parallèlement à la ligne des sources, que l’on balaie des différences de marche variables et que les zones fortes et faibles se succèdent.

Activités scientifiques sur ce thème

Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent d’observer et comprendre les interférences.

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

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

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

En savoir plus

Un peu d’histoire

Thomas Young réalise en 1801 sa célèbre expérience des fentes, qui démontre la nature ondulatoire de la lumière. En éclairant deux fentes étroites, il observe des franges brillantes et sombres alternées. Ce résultat s’explique uniquement par les interférences et contredit la théorie corpusculaire de Newton.

Interférences en couches minces

Les couleurs d’une bulle de savon ou d’une flaque d’huile proviennent d’interférences. La lumière se réfléchit sur les deux faces de la couche mince. Selon l’épaisseur et l’angle d’observation, certaines longueurs d’onde interfèrent constructivement (couleurs visibles) et d’autres destructivement.

Applications modernes

L’interférométrie est utilisée en astronomie (VLBI), en métrologie (interféromètre de Michelson) et en détection des ondes gravitationnelles (LIGO). Les traitements antireflets des lunettes et des objectifs photographiques exploitent les interférences destructives.

Expériences complémentaires

L’expérience Une bulle sans bruit explore les interférences destructives utilisées dans les casques à réduction de bruit active.

Formule

Condition d’interférence constructive : δ = k × λ (k entier)

Condition d’interférence destructive : δ = (k + 1/2) × λ

Signification :

δ : différence de marche entre les deux ondes (m)

λ : longueur d’onde (m)

k : nombre entier (0, 1, 2, …)

L’amplitude résultante de deux ondes de même amplitude A est :

A_résultante = 2A × |cos(φ/2)|

φ : déphasage (rad)

Exemples d’application

• Les casques antibruit utilisent les interférences destructives pour supprimer le bruit ambiant

• Les reflets colorés sur une bulle de savon sont dus aux interférences de la lumière réfléchie

• Dans une salle de spectacle, certaines places peuvent avoir un son de mauvaise qualité à cause d’interférences destructives

• Les irisations sur une flaque d’huile résultent d’interférences lumineuses dans le film mince

• Les réseaux Wi-Fi peuvent présenter des zones mortes dues aux interférences entre les ondes réfléchies par les murs

FAQ

Q : Quelles conditions faut-il pour observer des interférences ? R : Il faut deux ondes de même fréquence et une relation de phase stable entre elles (cohérence). Dans le cas du son, deux haut-parleurs alimentés par le même signal suffisent.

Q : Les interférences détruisent-elles de l’énergie ? R : Non. L’énergie totale est conservée. Elle se redistribue dans l’espace : elle est concentrée dans les zones d’interférences constructives et absente des zones destructives.

Q : Peut-on observer des interférences avec la lumière ? R : Oui, mais il faut une source cohérente comme un laser. L’expérience des fentes de Young montre des franges alternativement brillantes et sombres.

Q : Pourquoi les battements sont-ils liés aux interférences ? R : Les battements se produisent quand deux sons de fréquences proches interfèrent. Le déphasage varie lentement, créant des alternances d’interférences constructives et destructives perçues comme des pulsations de volume.

Q : Comment éviter les interférences destructives dans une salle ? R : Les acousticiens placent les haut-parleurs et utilisent des matériaux absorbants pour minimiser les réflexions parasites qui créent des interférences indésirables.

Concepts liés

Déphasage - Différence de marche - Longueur d’onde - Diffraction - Battements - Cohérence - Superposition