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Propagation d'une onde dans le verre



  1. #1
    keep-cool

    Propagation d'une onde dans le verre


    ------

    Bonjour,
    Je souhaite mesurer expérimentalement la vitesse de propagation d'une onde sonore dans le verre.
    Pour cela je dispose d'une règle en verre et de deux capteurs piezo électrique.
    J'effectue mes mesures de la manière suivante:
    - la distance entre les deux capteurs est connue
    - je tape à proximité du premier (noté A)
    - je mesure la différence de temps entre la réception de l'onde par le premier capteur (A) et le deuxième capteur (B)

    Il s'avère lors de mes mesures que je trouve une vitesse différente quand l'onde va de A vers B et quand elle va de B vers A.
    J'ai répété en grand nombre de fois la manipulation, les valeurs restent constantes. J'obtiens une variation de 50 µs entre (A->B) et (B->A) pour une distance de 20 cm.

    D'où peut provenir cette différence?
    Est-ce que cela pourrait être lié à la structure du verre?

    Je ne sais pas si j'ai été très clair :S
    Merci par avance pour votre aide.

    -----

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  3. #2
    LPFR

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour.
    Dans un solide vous avez deux types d'ondes: les ondes longitudinales (ondes de pression) et les ondes transversales (ondes de cisaillement). Leur vitesse est différente. Suivant la façon dont vous créez l'onde et suivant ce que les capteurs mesurent, vous mesurez l'un ou l'autre type d'ondes.
    Sans parler de la complication avec les ondes réfléchies aux extrémités de la règle.
    Bref, je ne sais pas ce que vous mesurez.
    Le verre n'a pas de structure.
    Au revoir.

  4. #3
    LPFR

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Re.
    Dans votre cas, l'onde transversale n'est pas celle que l'on trouve dans un solide étendu. Mais une "ondulation" de la règle. Un peu comme l'oscillation d'un morceau de bois dans un xylophone.
    A+

  5. #4
    phuphus

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour à tous,

    LPFR a déjà répondu sur la partie physique du phénomène, je vais te donner quelques pistes sur l'origine possible de ces différences. Il faut que ta situation soit entièrement symétrique pour que la mesure fonctionne, c'est à dire que les conditions aux limites de chaque côté de la règle, la fixation des capteurs, la position des capteurs par rapport aux extrémités de la règle, et même les impédances mécaniques des capteurs doivent être les mêmes. Mais je pencherais plutôt pour un problème de mesure : 50 microsecondes, c'est 1/2 échantillon à une fréquence d'échantillonnage de 10 kHz (tu fais l'acquisition en numérique ?). Il suffit que tu aies une carte d'acquisition avec un convertisseur multiplexé pour qu'une telle différence puisse apparaître. Ou encore une carte multivoies avec un décalage systématique entre deux voies (cela m'est déjà arrivé : 2 échantillons de décalage systématique entre les voies 1 et 2 d'une carte son à 96kHz). En faisant la mesure dans un sens puis dans l'autre, tout écart temporel entre tes voies est multiplié par 2. Je te laisse faire le calcul pour le cas de la carte son à 96 kHz : on retombe sur une valeur très proche de tes 50 microsecondes.

    Pour vérifier si cela est un problème de mesure, inverse le branchement de tes capteurs plutôt que de taper de l'autre côté, et regarde si tu retombe sur l'écart de 50 microsecondes.

  6. #5
    keep-cool

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Merci à tous les deux vos réponses.

    Voici mon montage expérimental:
    P1030550.jpg
    P1030551.jpg


    Je ne sais pas vraiment quelle type d'onde je mesure, mais mon mode opératoire étant toujours le même, cela a t-il vraiment une importance?
    Cela dit je pense mesurer les ondes transversales.
    Quelle est l'ordre de grandeurs des ondes réfléchies ?

    J'ai fait un montage symétrique comme tu me l'as conseillé phuphus. J'ai malheureusement toujours quelques dizaines de micro secondes d'écart.
    Niveau acquisition, je fais ça sur l'entrée micro de mon PC avec Audacity, en stéréo, une voix pour chaque capteur. Mon taux d'échantillonnage est de 96kHz.
    Quand tu dis "inverse le branchement de tes capteurs", dans mon cas faut que je ressoude mes capteurs en mettant le gauche sur le fil du droit et inversement?

    Encore merci pour votre aide

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    LPFR

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour.
    Pouvez-vous nous donner le lien vers la notice des capteurs ?
    Car avec votre montage, vous fabriquez des ondes transversales (ondes de Love).
    Mais ce que vous captez dépend de ce que captent les capteurs.
    Comment et où tapez-vous sur le verre ?

    Avec un échantillonnage à 96 kHz vous êtes un peu juste. Ça ne vous fait que quelques échantillons de décalage. Mais ce n'est surement pas la raison de l'asymétrie.
    Est-ce que les capteurs sont placés exactement à la même distance des extrémités ?

    La réflexion des ondes aux extrémités est pratiquement totale.

    Pouvez-vous joindre les deux fichiers d'Audacity ? Si le type de fichiers n'est pas accepté par le forum, zippez-les.

    J'ai regardé un peu les ondes transversales que vous créez. Ce sont des ondes de Love et le mot clé est "flexural waves". Elles sont dispersives: la vitesse dépend de la fréquence. Elle est proportionnelle à la racine carrée de la fréquence.
    Au revoir.

  9. Publicité
  10. #7
    phuphus

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonsoir,

    Citation Envoyé par keep-cool Voir le message
    Quand tu dis "inverse le branchement de tes capteurs", dans mon cas faut que je ressoude mes capteurs en mettant le gauche sur le fil du droit et inversement?
    Il faut tout simplement que tu inverses les câbles sur ton adaptateur mono / stéréo. Si la cause de ton décalage est un défaut dans la chaîne d'acquisition (exemples : 2 échantillons de décalage entre les voies gauche et droite de ta carte son, capteurs avec une légère dispersion de la bande passante, et donc temps de réponse de l'un plus rapide que l'autre. etc), cette inversion te le dira tout de suite.

    J'ai regardé un peu les ondes transversales que vous créez. Ce sont des ondes de Love et le mot clé est "flexural waves". Elles sont dispersives: la vitesse dépend de la fréquence. Elle est proportionnelle à la racine carrée de la fréquence.
    Du coup, la question se pose : la mesure se fait sur la vitesse de groupe ou la vitesse de phase ?
    @ keep-cool : comment détermines-tu exactement le temps de parcours de l'onde ? Sur le front montant de ton choc ? Sur le maximum d'amplitude ? En dérivant la phase par rapport à la fréquence ?

  11. #8
    keep-cool

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour,


    Voici le lien vers la notice:
    http://www1.produktinfo.conrad.com/c...ins=62&lang=FR

    voici un couple de mesures:
    mesures.zip
    Mon protocole est le suivant:
    - je tape sur le verre au niveau du capteur (le capteur est collé dessous) avec une règle en métal
    - je mesure le retard avec les premiers maximum: mesures.jpg

    Je trouve des valeurs pour la vitesse de l'ordre de 800 m/s, autrement dit très loin de ce que donnent les livres (~5000 m/s), mais cela m'importe peu.
    En faite cette étude n'est que l'étalonnage de mon projet final.
    En effet je souhaiterai à terme déterminer la position d'un impact sur une surface (2 dimensions). J'ai déjà fait quelques relevés sur 1 dimension (impact entre deux capteurs) et mes résultats ne sont pas trop mauvais. Mais j'aimerais lever cette incertitude liée à la vitesse de l'onde.

    @Phuphus: en faite j'utilise deux jack stéréo mais un capteur est sur la voix gauche et l'autre sur la voix droite, puis j'utilise l'adaptateur pour "rassembler" les deux voix, inverser les branchements sur l'adaptateur ne change rien dans mon cas.

    @LPFR: Merci pour cette information, je vais me renseigner au sujet des ondes de Love.

    Merci pour votre aide.

  12. #9
    LPFR

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour.
    Regardez la page 2 de la notice. La forme de la déformation de l'élément est dessinée. Avec la façon dont les éléments sont posées sur le verre, vous fabriquez et détectez des onde de Love (des ondes de flexion).
    Si j'ai un conseil à vous donner, est celui de changer votre fusil d'épaule et de fixer les éléments sur la tranche du verre. Vous générerez et détecterez des ondes de pression qui, elles, ne sont pas dispersives: une impulsion garde sa forme, ce qui facilite de mesurer les temps d'arrivé.

    Les fichiers joints n'ont pas encore été validés. Attendons.
    Au revoir.

  13. #10
    lionelod

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Cette expérience me fait penser au dépassement de la vitesse de la lumière par les neutrinos...

    La force de la pensée humaine sur la nature est de nous dire avec une absolue certitude qu'il y a symétrie.
    Par conséquent, il faut rechercher exclusivement une erreur dans la manip.

  14. #11
    LPFR

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour.
    Les pièces ont été validées. Malheureusement le fichier Audacity est inutilisable. Il donne un message indiquant qu'il n'a pas accès aux données.

    Mais dans la copie d'écran on peut constater quelques problèmes.
    Vous mesurez le temps entre deux maximums. Regardez l'image du deuxième capteur: le signal commence par un (petit) minimum. Ceci est lié à la dispersivité du type d'ondes. Et si vous regardez les deux signaux on ne peut pas dire que les deux signaux soient le même avec un simple décalage dans le temps.
    Bref, ces mesures sont inexploitables.
    Et ceci d'autant plus que déterminer par calcul le maximum local d'un signal n'est pas simple. Les risques de se tromper de maximum sont grands.
    Il est plus facile et plus sur de déterminer le temps de premier passage à un niveau prédéterminé. Comme on fait en sismologie.

    Évidement, tout ceci n'explique pas l'asymétrie. Je pense qu'il faut la chercher dans une asymétrique dans les positions des capteurs par rapport aux extrémités ou une asymétrie dans la façon d'exciter les capteurs.
    Au revoir.

  15. #12
    phuphus

    Re : Propagation d'une onde dans le verre

    Bonjour,

    Citation Envoyé par keep-cool Voir le message
    @Phuphus: en faite j'utilise deux jack stéréo mais un capteur est sur la voix gauche et l'autre sur la voix droite, puis j'utilise l'adaptateur pour "rassembler" les deux voix, inverser les branchements sur l'adaptateur ne change rien dans mon cas.
    Quand tu dis que cela ne change rien, c'est une conviction ou bien tu as fait l'essai ?

    Nous sommes maintenant 3 à penser que cette dissymétrie pourrait venir de ton protocole de mesure plutôt que du phénomène en lui-même. A partir des données que tu as mises en ligne, je trouve que la vitesse est de 915 m/s plutôt que 800 (quelle distance as-tu prise pour tes calculs ? La distance libre entre tes buzzers ou bien la distance entre les centres ?). Mais bon, ma mesure se fait à partir de règles de 3 sur tes photos, méthode tout à fait imprécise (surtout vues les déformations géométriques des photos). Coupons la poire en 2 : prenons 850 m/s. Une incertitude de mesure de 50 microsecondes / 2 = 25 microsecondes te donne une imprécision de position de 2 cm. Si c'est acceptable, ne te prends pas trop la tête avec tes 50 microsecondes. Sinon, il va falloir faire les choses correctement.

    Ton protocole est entaché de nombreux problèmes, je t'en cite quelques-uns non pas pour te décourager mais pour te donner une idée de ce tout ce qu'il faudrait idéalement avoir en tête pour un tel projet :
    - tu utilises des buzzers en tant que capteurs
    - tes capteurs ont une bande passante très limitée, et une fréquence de résonance marquée (au passage : que penses-tu de l'écart entre deux maximum sur le signal issu d'un même capteur ? Si je prends le signal du haut sur "mesures.jpg", je trouve que cet écart correspond à une fréquence de 3000 Hz. Or, la fréquence de résonance de tes capteurs est donnée à 2900 Hz nominaux...)
    - la fixation de tes capteurs a une importance capitale sur ce que tu vas être capable de mesurer ou non (ils sont justes scotchés : lorsque le verre a une déformation convexe, tu déformes le scotch et le capteur se retrouve en contact avec le verre sur une ligne de contact ; en déformation concave ton capteur repose à ses extrémités sur 2 points ; à la prochaine déformation convexe ton capteur prend un choc et répond sur sa fréquence de résonance)
    - dans les docs des buzzers, de nombreux montages électriques sont conseillés pour les utiliser en émetteurs. Je ne suis pas un spécialiste de ces engins, mais je suppose que comme capteurs c'est la même chose. Es-tu sûr qu'un capteur piézo (capacitif) relié en série avec une entrée micro (impédance d'entrée de quelques dizaines de kHz et préampli intégré) donne bien un signal représentatif de tes ondes mécaniques dans le verre ?
    - tu n'as pas vérifié la synchro de tes voies d'acquisition
    - tu n'as pas appairé tes capteurs
    - etc.

    Tous ces défauts ne veulent pas pour autant dire que tu ne peux rien mesurer. Tu peux ignorer tout cela et caractériser de manière brute la capacité de ton montage à effectuer une mesure de distance. Cela revient à vérifier la linéarité de ta mesure. La méthode est simple : tu effectues quelques mesures avec différentes distances entre tes capteurs, et tu évalues la dispersion des mesures par rapport à une mesure linéaire idéale. C'est assez simple à faire sur papier :
    - tu traces un graphe temps = f(distance)
    - tu traces au milieu de tes point une droite qui te semble être 'moyenne'
    - tu traces deux parallèles à cette droite de manière à englober tous tes points de mesure
    - la distance entre tes droites te donne une idée de ton erreur de linéarité
    - tu juges cette erreur : gênante pour ton dispositif final ou pas ?

    C'est encore plus simple à faire sur Excel, par exemple.

    Si tu juges cela acceptable, tu passes à l'étape suivante : mesures en situation. Tu places tes deux capteurs sur une plaque de verre, tu frappes sur ta plaque en des endroits connus, et cette fois tu vérifies la linéarité en deux dimensions. Cette méthode te donne directement l'imprécision en position de ta méthode.

    Quelle est exactement la finalité de ton projet ? Une réalisation personnelle ? Dans quel but ?

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