Efecto tubo
Efecto tubo
Mesurer la velocidad del sonido par résonance acoustique dans un tube
Lorsque l’on souffle dans une bouteille ou un tube, un son particulier est produit. Ce phénomène est lié à la résonance acoustique, qui se produit lorsque certaines fréquences sonores sont amplifiées dans une cavité. Les instruments de musique à vent utilisent ce principe pour produire des notes précises. En physique, ces phénomènes de résonance peuvent être exploités pour mesurer des grandeurs fondamentales, comme la velocidad del sonido dans l’air. Un ruido blanco, contenant toutes les fréquences audibles, permet de révéler naturellement les fréquences propres d’un tube. Dans esta actividad, l’élève utilise un smartphone pour générer un ruido blanco et un second pour analyser le spectre sonore produit par un tube. L’étude des fréquences amplifiées permet ensuite de calculer la velocidad del sonido. Este experimento illustre concrètement la relation entre géométrie d’un système et propagation des ondes sonores.
Visão geral da atividade:
L'élève génère un ruido blanco avec un smartphone placé à l'entrée d'un tube cylindrique puis utilise un second smartphone avec FizziQ pour analyser le spectre des fréquences amplifiées par résonance. Actividad adaptada al liceo.
FizziQ
Autor:
Duração (minutos):
20-40 minutos
O que os alunos farão:
'- Poner en evidencia la résonance acoustique dans un tube
- Identifier des fréquences amplifiées dans un spectre sonore
- Comprendre la notion de fréquence propre d’une cavité
- Calculer la velocidad del sonido à partir de mesures expérimentales
- Relier un phénomène acoustique à un modèle mathématique
Conceitos científicos:
'- Résonance acoustique
- Ondes stationnaires
- Fréquences propres
- Vitesse du son
- Analyse spectrale
- Bruit blanc
- Propagation des ondes sonores
- Modes de vibration
Sensores:
'- Micrófono
Materiais necessários:
Deux smartphones avec l'application FizziQ; Un tube cylindrique (rouleau de carton papier toilette ou autres); Un mètre ruban pour mesurer les dimensions du tube; Cuaderno de experiencias FizziQ
Procedimento experimental:
1. Nous mesurons la velocidad del sonido en diffusant un ruido blanco en un tube y en analysant les frecuencias de résonance
2. Si plusieurs frecuencias sont émises simultanément en un tube, los armónicos de la frecuencia de resonancia seront amplifiées par rapport aux autres frecuencias émises
3. Sur un smartphone, selecciona le ruido blanco en la biblioteca de sonidos, coloca le smartphone à l’entrée d’un tube comme un rouleau de carton, y joue el sonido
4. Quelle es la caractéristique d’un ruido blanco ?
5. Coloca un deuxième smartphone y selecciona le spectre de frecuencia, y à présent analyse el sonido provenant du tube
6. Si tu compares le spectre de frecuencia con le tube y sans le tube, ¿qué observas ? Quelles frecuencias ont été amplifiées ? ¿Por qué ?
7. Dans un tube ouvert, la frecuencia de resonancia f es égale à f = c/(2*L+1,24*D), con L la longitud du tube y D son diamètre
8. ¿Puedes déduire de cette formule la velocidad del sonido ? Compara cette valeur à la valeur trouvée sobre internet y complète y partage tu cuaderno d’expérience
Resultados esperados:
Le spectre sonore mesuré sans tube présente une distribution relativement uniforme des fréquences. Lorsque le tube est utilisé, certaines fréquences apparaissent nettement amplifiées, formant des pics visibles sur le spectre. Ces pics correspondent aux fréquences propres du tube. La première fréquence amplifiée correspond à la frecuencia fundamental. Les fréquences suivantes correspondent à des harmoniques multiples. La valeur calculée pour la velocidad del sonido est généralement proche de 340 m/s dans l’air à température ambiante. Des écarts peuvent apparaître en raison d’erreurs de mesure des dimensions du tube ou d’un positionnement imprécis des smartphones.
Questões científicas:
'- Pourquoi certaines fréquences sont-elles amplifiées dans le tube ?
- Quelle différence observe-t-on entre le spectre avec tube et sans tube ?
- Pourquoi la frecuencia fundamental dépend-elle de la longueur du tube ?
- Comment la température de l’air influence-t-elle la velocidad del sonido ?
- Pourquoi observe-t-on plusieurs pics dans le spectre ?
- Comment le diamètre du tube influence-t-il la fréquence mesurée ?
Explicações científicas:
Lorsqu'un ruido blanco (contenant toutes les frecuencias à égale intensité) es émis à l'entrée de un tube, les frecuencias qui correspondent aux modes propres de résonance du tube sont amplifiées par résonance. Pour un tube ouvert aux deux extrémités, les frecuencias de résonance sont données par la formule: f = n×c/(2L+1,24D), où n es un entier (1,2,3,...) représentant le mode, c es la velocidad del sonido, L es la longitud du tube, y D son diamètre. Le terme correctif 1,24D prend en compte l'effet de bord à l'extrémité du tube (le ventre de pression ne se forme pas exactement à l'ouverture mais légèrement au-delà). Le spectre de frecuencias de FizziQ utilise une transformée de Fourier rapide (FFT) para décomposer le signal sonore capté par el micrófono y afficher son contenu fréquentiel. Les pics observés correspondent aux harmoniques de la frecuencia fundamental. En mesurant précisément ces frecuencias, la longitud y le diamètre du tube, on peut calculer la velocidad del sonido: c = (2L+1,24D)×f₁, où f₁ es la frecuencia fundamental (premier pic). La velocidad théorique del sonido en l'air à 20°C es d'environ 343 m/s, mais varie con la temperatura selon: c = 331,3 + 0,606×T (T en °C). Este experimento permet d'obtenir une mide con une précision de l'ordre de ±2%.
Atividades de extensão:
'- Utiliser des tubes de différentes longueurs pour comparer les fréquences obtenues
- Tester l’effet d’un tube partiellement fermé
- Comparer les résultats obtenus avec un ruido blanco et un bruit rose
- Mesurer la velocidad del sonido à différentes températures
- Utiliser plusieurs tubes assemblés pour créer des systèmes plus complexes
Perguntas frequentes:
Q: ¿Qué es la résonance acoustique ?
R: Pour un tube ouvert aux deux extrémités, les fréquences de résonance sont données par la formule: f = n×c/(2L+1,24D), où n est un entier (1,2,3,...) représentant le mode, c est la velocidad del sonido, L est la longueur du tube, et D son diamètre.
Q: ¿Cómo fonctionne l'analyse spectrale de FizziQ ?
R: FizziQ décompose le son capté par le micrófono en ses fréquences composantes gracias a une transformée de Fourier rapide (FFT). Le spectre affiché montre l'amplitude de chaque fréquence, permettant d'identifier les harmoniques et la frecuencia fundamental.
Q: ¿Quéles sont les principales fuentes de error ou limites de este experimento ?
R: Este experimento permet d'obtenir une mesure avec une précision de l'ordre de ±2%.