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énergie des ondes



  1. #1
    Latouffe

    énergie des ondes


    ------

    Bonjour,

    Je sais que l'énergie d'une onde électro-magéntique est liée à sa fréquence. Mais pour des ondes mécaniques, (ondes sonores par exemple), qu'en est-il exactement ? Il me semble que la puissance est plutôt liée à l'amplitude non ? Est-ce que la fréquence joue aussi un rôle ? Cela expliquerait-il pourquoi un song aigu fait particulièrement mal aux oreilles ?

    Merci

    -----

  2. #2
    Jeanpaul

    Re : énergie des ondes

    Il est commode d'utiliser le terme de photons quand on étudie l'interaction entre les atomes et la lumière, parce que les échanges d'énergie sont quantifiés.
    Il en va de même pour les ondes sonores, on parle alors de phonons, notamment d'interactions électrons-phonons, par exemple dans la théorie des supra-conducteurs (BCS).
    Pour faire de la physiologie, étudier la douleur créée par un son, l'échelle atomique n'a guère d'intérêt et on travaille en mécanique classique, où la puissance est proportionnelle au carré de l'amplitude. Le seuil de douleur n'a rien à voir avec un quelconque seuil photoélectrique (W = h*nu)

  3. #3
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Jeanpaul
    Le seuil de douleur n'a rien à voir avec un quelconque seuil photoélectrique (W = h*nu)
    C'est normal qu'il n'y ait pas d'effet photoélectrique je suppose puisqu'aucun photon n'entre en jeu dans ce phénomène.

    La relation E=h*nu ne vaut-elle que pour les ondes électromagnétiques ou y a-t-il un équivalent chez les ondes mécaniques (sans s'intéresser à l'aspect physiologique de la chose mais seulement à l'onde elle-même) ?
    Que sont exactement des phonons et quelles sont leurs caractéristiques ?

    Merci beaucoup

  4. #4
    Jeanpaul

    Re : énergie des ondes

    Pour dire les choses simplement : si on étudie les oscillations électromagnétiques dans une cavité, on trouve que seules certaines longueurs d'onde (donc fréquences) sont permises : ce sont les modes de la cavité, associés à des énergies qui sont quantifiées (= les photons).
    On peut faire de même pour les vibrations mécaniques dans un cube matériel, on trouvera des modes, qui sont les phonons. La relation W = h*nu ne s'applique pas aussi simplement mais on peut étudier les échanges entre atomes et phonons, par exemple dans une molécule où les fréquences de vibration sont quantifiées et où une molécule excitée électroniquement restitue un photon et un phonon (elle émet de la lumière et se retrouve en état de vibration). L'effet Raman fonctionne ainsi : on éclaire la molécule (H2, CO2...) par un laser et il ressort une autre longueur d'onde (dite Stokes) d'énergie inférieure ; la molécule vibre alors.

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Jeanpaul
    L'effet Raman fonctionne ainsi : on éclaire la molécule (H2, CO2...) par un laser et il ressort une autre longueur d'onde (dite Stokes) d'énergie inférieure ; la molécule vibre alors.
    Donc si je comprends bien, l'énergie non restituée sous forme de photon l'est sous forme de phonon, ce qui correspond à un passage de la molécule vers un état vibratoire. Mais est-ce l'amplitude de la vibration de la molécule, sa fréquence ou les deux à la fois qui va être déterminée par l'énergie du phonon ? Si j'ai bien interprété tes propos, ça serait seulement de l'amplitude ?

    par exemple dans une molécule où les fréquences de vibration sont quantifiées
    Je crois que je ne comprends plus trop (je préfère le dire pour éviter les quiprocos) Cela veut-il dire que une molécule ne peut pas vibrer mécaniquement à n'importe quelle fréquence ?

  7. #6
    charly

    Re : énergie des ondes

    Une molécule vibre car elle posséde une certaine quantité d'energie . Or l'energie elle même est quantifié de tel sorte qu'elle doit forcement etre en fonction de la constante de planck noté "h" .
    Si tu prends une molécule n'ayant aucune energie intraseque ( ne crier pas c'est un exemple ) et que tu lui envois un photon d'une certaine fréquence , alors elle aura une energie mécanique de la forme E = hy
    avec y(gama) la fréquence .

    A l'origine la quantification de la lumière nous vient de deux expérience : celle des corps noirs , et celle de l'effet photoéléctrique . Et on s'apercoit en effet que l'energie d'une onde éléctromagnetique ne dépant pas de l'amplitude ( ou en tous cas de maniére minime ) mais de la fréquence de l'onde .

    Par contre pour le son , il me semble que l'energie dépant surtout de l'amplitude pour le coup . Onde dans les milieux continus et onde éléctromagnetique ne sont pas identifiable en tous point , loin de la .

  8. #7
    BioBen

    Re : énergie des ondes

    l'énergie non restituée sous forme de photon l'est sous forme de phonon,
    Va faire un tour par ici :
    http://forums.futura-sciences.com/th...18-phonon.html
    http://forums.futura-sciences.com/th...42-phonon.html

    Onde dans les milieux continus et onde éléctromagnetique ne sont pas identifiable en tous point , loin de la .
    Je pense que le "loin de là" est de trop, car à ma connaissance les deux peuvent être repréesntées par la même équation aux dérviées partielles ...

  9. #8
    Meumeul

    Re : énergie des ondes

    SAlut,

    Je pense que le "loin de là" est de trop, car à ma connaissance les deux peuvent être repréesntées par la même équation aux dérviées partielles ...
    En general, ce n'est pas la meme equation (la relation de dispersion des phonons n'est pas souvent lineaire). Cependant, elles sont les memes si tu consideres une onde EM dans un milieu donné(je saurais pas donné pas lequel de tete ).

    En ce sui concerne c'est pour UN photon, c'est a dire la quantité d'energie MINIMALE que tu puisse fournir a une onde EM. En EM classique, tu as pour une onde plane. Cela reste valable en quantique, mais tu as une equation en plus : si on prend le nombre de photons, tu as , tu montres donc que varie par pas discrets.

  10. #9
    Jeanpaul

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Latouffe
    Mais est-ce l'amplitude de la vibration de la molécule, sa fréquence ou les deux à la fois qui va être déterminée par l'énergie du phonon ? Si j'ai bien interprété tes propos, ça serait seulement de l'amplitude ?
    Je crois que je ne comprends plus trop (je préfère le dire pour éviter les quiprocos) Cela veut-il dire que une molécule ne peut pas vibrer mécaniquement à n'importe quelle fréquence ?
    Effectivement, une molécule ne peut vibrer qu'à certaines fréquences (les lasers à CO2 utilisent ce principe).
    De plus, on ne peut parler d'amplitude de vibration car on est en mécanique quantique. On peut parler de nuages électroniques différents dans l'état de base et dans l'état excité et aussi de distances de noyaux dans ces états mais ce n'est pas exactement une amplitude de vibration.

  11. #10
    charly

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par BioBen
    Je pense que le "loin de là" est de trop, car à ma connaissance les deux peuvent être repréesntées par la même équation aux dérviées partielles ...
    Je pensais au fait que les ondes éléctro magnétiques se déplaçaient dans le vide et pas les autres ( enfin on oublie gravitationelle et autre que je ne connaiterais pas ) . Et que la lumière n'était ni vraiment une onde ni vraiment une particule dans l'absolue ( si on peut parler d'absolue ) ou alors les deux si on sait comment regarder .
    On peut les identifiés jusqu'a un certaine point quoi .

  12. #11
    Floris

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par charly
    A l'origine la quantification de la lumière nous vient de deux expérience : celle des corps noirs , et celle de l'effet photoéléctrique . Et on s'apercoit en effet que l'energie d'une onde éléctromagnetique ne dépant pas de l'amplitude ( ou en tous cas de maniére minime ) mais de la fréquence de l'onde.
    Bonjour charly, simplement une petite question de chipotage sur ceci "ou en tous cas de maniére minime" c'est à dire? Je ne vois pas ce que tu essai de dire là?
    Bien amicalement
    flo

  13. #12
    BioBen

    Re : énergie des ondes

    En general, ce n'est pas la meme equation (la relation de dispersion des phonons n'est pas souvent lineaire). Cependant, elles sont les memes si tu consideres une onde EM dans un milieu donné(je saurais pas donné pas lequel de tete ).
    Bah moi je fais que recracher mon cours de méca que je suis forcé d'apprendre pour mes exams et on a écrit une équation aux dérivées partielles pour la propagation des ondes qui "représente aussi bien les ondes acoustiques, sismiques ou electromagnétiques".

    Et que la lumière n'était ni vraiment une onde ni vraiment une particule dans l'absolue ( si on peut parler d'absolue ) ou alors les deux si on sait comment regarder .
    C'est pas ni vraiment un particule, ni vraiment une onde, c'est ni l'un ni l'autre, d'après une conférence de Jean Marc Lévy-Leblond dispo ici :
    http://colloquesetconferences.u-stra...dEvenement=175 , qui use d'un exemple très convaincant et explicite pour expliquer cette fameuse "dualité onde-corpuscule".

    On peut les identifiés jusqu'a un certaine point quoi .
    Oui mais jusqu'où ?
    (il est où le point ? )

    Benjamin

  14. #13
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par charly
    on s'apercoit en effet que l'energie d'une onde éléctromagnetique ne dépant pas de l'amplitude ( ou en tous cas de maniére minime ) mais de la fréquence de l'onde.
    Peut-on seulement définir l'amplitude d'une Onde EM?

    Dans le cas de cas de la vibration des molécules, Jeanpaul j'ai lu dans un des fils proposés par Bioben (merci) qu'on pouvait effectivement attribuer une amplitude aux phonons. Qui dois-je croire?

    En tout cas il semblerait qur l'énergie d'un phonon soit bien liée à la fréquence de vibration. Pour ceux qui ont la flemme d'aller voir sur les fils proposés par BioBen, je cite
    « Tout comme pour le mouvement oscillant du pendule ou du champ électrique d'une onde lumineuse, la théorie quantique nous enseigne que l'énergie d'un mode de vibration cristalline est "quantifiée". Pour une vibration de fréquence n, l'énergie emmagasinée dans la vibration est symbolisée par la formule suivante
    E = (n + ½)hn
    où h est la constante de Planck (6,6260755 x 10-34 J.s) et n, la fréquence de vibration. Comme n est un nombre entier naturel (0, 1, 2, 3, ...) et que l'énergie minimale est E = ½ hn, on remarque que l'énergie d'une vibration ne peut augmenter que par "sauts" de DE = hn. Cette petite quantité d'énergie représente UN phonon! Le nombre n est donc le nombre de phonons que contient la vibration dans le cristal. » :
    Bon je crois que je ne sais plus vraiment où j'en suis maintenant finalement. Apparemment c'est beaucoup plus compliqué que ce que j'imaginais de répondre à la question "est ce que l'énergie d'une onde mécanique est aussi liée à sa fréquence ou seulement à son amplitude ?"

    En tout cas merci à tous pour vos réponses

    @+

  15. #14
    Meumeul

    Re : énergie des ondes

    Il faut bien avoir en tete que parler en meme temps de phonons, photons..... et d'amplitude suppose qu'on MELANGE deux descriptions : classique et quantique.

    Point de vue classique : amplitude + frequence + vitesse ;

    Point de vue quantique : ensemble de particules d'energie fonction d'une frequence, ayant une vitesse.

    A ce moment la, on a l'equivalence entre les deux (a conditions d'avoir une onde de 'taille' macroscopique) : amplitude liée au nombre et a l'energie de chaque particule (voir mon post #), qu'on sonsruit en disant que les deux energies (ou puissances sont egales)

  16. #15
    Gwyddon

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Meumeul
    SAlut,



    En general, ce n'est pas la meme equation (la relation de dispersion des phonons n'est pas souvent lineaire). Cependant, elles sont les memes si tu consideres une onde EM dans un milieu donné(je saurais pas donné pas lequel de tete ).
    Dans les plasmas par exemple, la relation de dispersion est quadratique.
    A quitté FuturaSciences. Merci de ne PAS me contacter par MP.

  17. #16
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Merci Meumeul

    09Jul85 qu'est-ce que ça veut dire "relation de dispersion quadratique" s'il te plaît ?

    @+

  18. #17
    Gwyddon

    Re : énergie des ondes

    Ça veut dire "présence de carré" dans la relation.

    La relation de dispersion du plasma est ainsi la suivante :



    Avec pulsation plasma, reliée à la conductivité complexe du plasma.
    A quitté FuturaSciences. Merci de ne PAS me contacter par MP.

  19. #18
    Meumeul

    Re : énergie des ondes

    Dans un modele courant des phonos, on a :



    (model d'Einstein et je-sais-plus-qui)
    Dernière modification par Meumeul ; 08/06/2005 à 19h56.

  20. #19
    Ray

    Re : énergie des ondes

    Bonjour,

    Je suis un petit nouveau qui a plein d'incertitude.

    L'energie se deplace t'elle uniquement par ondes

  21. #20
    Coincoin

    Re : énergie des ondes

    L'energie se deplace t'elle uniquement par ondes
    Non... l'énergie thermique se déplace par diffusion (dans le cas de la conduction thermique), c'est-à-dire de la même façon qu'une goutte de colorant que tu plongerais dans l'eau (ce n'est donc pas par onde), et puis il y a plein de manières de faire déplacer de l'énergie : énergie cinétique, ...
    Encore une victoire de Canard !

  22. #21
    Ray

    Re : énergie des ondes

    Bonjour soir,


    Non... l'énergie thermique se déplace par diffusion (dans le cas de la conduction thermique), c'est-à-dire de la même façon qu'une goutte de colorant que tu plongerais dans l'eau (ce n'est donc pas par onde), et puis il y a plein de manières de faire déplacer de l'énergie : énergie cinétique, ...
    Le transport de la chaleur est un phénomène tout à fait analogue au transport des particules. Tout d'abord, les particules qui diffusent transportent leur propre énergie : c'est le phénomène de convection. Ensuite, les collisions permettent aux particules d'échanger de l'énergie : c'est la conduction thermique.


    Ces fameuse collisions(choc) ne se font t'il pas d'onde a onde?

  23. #22
    robert et ses amis

    Re : énergie des ondes

    Bonjour,
    Pour revenir à la question initiale : si je prend un barreau d'un bon mètre de long, en bois (n'allez pas croire que j'ai quelque chose contre la MQ et les électrons ) et que je me débrouille pour qu'il soit parcouru par une onde sonore d'amplitude A et de pulsation w. L'energie "acoustique" dépent-elle de A, de w, des deux ???

  24. #23
    Meumeul

    Re : énergie des ondes

    Comme ca a l'oeil je dirais que l'energie transportee (puissance) croit comme A² et comme w.

    A confirmer

  25. #24
    mach3
    Modérateur

    Re : énergie des ondes

    oui, l'energie de l'onde dépend et de la fréquence et de l'amplitude. c'est l'energie de chaque quantum (photon pour la lumière, phonon pour les vibrations) multipliée par leur nombre (qui correspond à l'amplitude de l'onde correspondante). au passage pour la lumiere ca doit etre un truc comme:



    avec la fréquence et le spectre de l'onde (en gros le nombre de photons émis pour chaque fréquence)

    à propos de l'energie des ondes, petite question. si on considère 2 ondes EM de même équation, au fait près qu'elles sont en opposition de phase, quelle est l'energie transportée par l'onde au total? 0 ou 2 fois l'energie d'une des ondes?

    m@ch3

  26. #25
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    si on considère 2 ondes EM de même équation, au fait près qu'elles sont en opposition de phase, quelle est l'energie transportée par l'onde au total? 0 ou 2 fois l'energie d'une des ondes
    C'est vrai je trouve ça pertinent comme question. Puisque les deux ondes en phase sont censées s'annuler, mais comme l'énergie se conserve, que devient-elle ? Aucune idée. Dsl, si quelqu'un pouvait répondre à cette question, ce serait fort bien

    En tout cas merci mach3 d'avoir su répondre de manière aussi précise à ma question.

    @+

  27. #26
    Chip

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par mach3
    à propos de l'energie des ondes, petite question. si on considère 2 ondes EM de même équation, au fait près qu'elles sont en opposition de phase, quelle est l'energie transportée par l'onde au total? 0 ou 2 fois l'energie d'une des ondes?
    L'énergie est nulle dans le domaine où tu as affectivement les deux ondes en opposition de phase. Ça ne pose pas de problème particulier pour la conservation de l'énergie (il faut examiner l'ensemble du problème - notamment comment tu as combiné les deux ondes initiales - pour faire un bilan énergétique correct).

  28. #27
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Chip
    (il faut examiner l'ensemble du problème - notamment comment tu as combiné les deux ondes initiales - pour faire un bilan énergétique correct).
    bonjour, est-ce que tu pourrais développer un petit peu ce point-ci, je ne vois pas clairement ce que tu veux dire

    merci

  29. #28
    Chip

    Re : énergie des ondes

    Citation Envoyé par Chip
    (il faut examiner l'ensemble du problème - notamment comment tu as combiné les deux ondes initiales - pour faire un bilan énergétique correct).
    Citation Envoyé par Latouffe
    bonjour, est-ce que tu pourrais développer un petit peu ce point-ci, je ne vois pas clairement ce que tu veux dire
    Par exemple, la combinaison de deux ondes optiques peut se faire par une lame séparatrice (miroir semi-transparent). Il y a alors deux faisceaux en entrée, et deux faisceaux en sortie (= après la lame). Lorsque l'un des faisceaux en sortie a une amplitude nulle (ce qui arrive quand les ondes qui le "composent" sont de même amplitude et en opposition de phase) alors l'autre faisceau en sortie recueille toute l'énergie des faisceaux en entrée.

    Autre exemple : l'interférence de deux ondes planes dont les directions de propagation font un petit angle. Aux endroits où les deux ondes interfèrent destructivement, il n'y a pas d'énergie (à la limite où l'on se place exactement sur un nœud). Les deux ondes se sont donc "annulées". Mais ceci est compensé par les régions où les deux ondes interfèrent constructivement.

    J'espère que c'est plus clair...

  30. #29
    Latouffe

    Re : énergie des ondes

    Oui c'est un peu plus clair,

    Merci beaucoup

  31. #30
    phuphus

    Re : énergie des ondes

    Tout d'abord, bonjour à tous (je suis nouveau sur le forum...),

    euh... je peux peut-être me tromper, mais j'ai l'impression qu'il y a beaucoup de confusions sur ce fil. Entre autres entre modes propres, onde mécanique, onde acoustique, vibration d'une molécule, etc...

    Déjà, précision : une onde acoustique n'a rien à voir avec des vibrations propres de molécules ou une quelconque agitation thermique, ni des modes propres de corde ou d'objets plus complexes... Une onde acoustique est une onde de pression, qui se propage. Certes, elle occasionne un mouvement des molécules autour d'une position d'équilibre, mais alors on parlera de vitesse particulaire : ce mouvement est indépendant d'une quelconque agitation thermique (ou presque, puisqu'il y a interdépendance entre agitation et vitesse de propagation des ondes de pression...) ou de modes de vibrations des molécules...

    Ensuite, pour clarifier les choses, on va plutôt partir d'une réflexion de base, à l'ordre 1 (voire même 0), plutôt que de s'engager sur des grandes théories avec des vibrations de molécules ou encore des équations compliquées...

    Bon, tout le monde sera d'accord avec moi pour dire qu'une énergie est égale à une puissance fois un temps. Donc, si on réfléchit dans le cas d'une source qui rayonne (qui émet des ondes acoustiques...) , l'énergie acoustique dégagée sera égale à la puissance acoustique de la source multipliée par le temps d'émission.

    Pour avoir la puissance acoustique d'une source, il faut regarder la répartition de l'intensité acoustique sur une surface enveloppant cette source. La puissance sera l'intégrale de l'intensité sur toute cette surface. En pratique, les mesures de puissance sont normalisées, et quelques mesures d'intensité sont suffisantes. Bien entendu, je me situe dans un cas stationnaire...

    Conclusion : une sonde d'intensimétrie (mesurant à la fois la pression acoustique et la vitesse particulaire), quelques mesures sur une surface virtuelle enveloppant la source et une brave multiplication, et le tour est joué.

    Ensuite, quelle que soit la fréquence, une même pression sonore et une même vitesse particulaire vont donner la même intensité, donc la même puissance, donc la même énergie. Et comme la relation entre pression et vitesse particulaire (l'impédance du milieu de propagation) ne dépend pas de la fréquence : l'énergie d'une onde sonore n'est donc fonction que de son amplitude !!!

    Pour info, les énergies acoustiques dans le domaine audible sont extrêmements faibles. Si on prend le cas d'objet vibrants qui rayonnent (par exemple, un instrument de musique), l'énergie acoustique est juste l'énergie dissipée par l'objet via la transmission de sa vibration à l'air. Si je prends un grand piano de concert, la puissance acoustique est de l'ordre de 0,25 W. Même lors d'un concert de 3h, l'énergie acoustique dégaée par le piano sera minime... Ces 0,25 W ne sont à ne surtout pas confondre avec les Watt électriques consommés par nos braves amplis et enceintes audio...

    Ensuite, si vraiment vous voulez de la théorie avec des ondes ponctuelles, des régimes transitoire plutôt que du stationnaire, etc... et bien considérez qu'une onde acoustique est une onde de pression, et que le travail des forces de pression c'est l'intégrale de P.dV. Donc vous discrétisez votre espace en tranches, et vous regardez dans ces tranches les pression qui s'exercent de chaque côté et la variation de volume de votre tranche : la fréquence l'intervient nulle part, si ce n'est dans le choix de l'épaisseur des tranches. Pour plus de détails sur le théorique :

    http://www.sciences.univ-nantes.fr/p...32onmec.htm#13

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