Applications des ondes

Applications du mouvement des vagues

Les vagues d'eau semblent être le type d'ondes le plus évident et le plus facilement identifiable. Le mouvement des vagues est périodique et parfois tranquille, mais dans le cas d'un tsunami, ces vagues peuvent devenir destructrices. L'une des applications les plus simples des vagues consiste à utiliser l'énergie transportée par les vagues d'eau lorsqu'elles se déplacent. L'énergie marémotrice est l'énergie générée par la vitesse d'écoulement de l'eau de mer. Les centrales marémotrices sont construites dans l'océan pour capter les marées lorsqu'elles montent et descendent. L'énergie cinétique de l'eau peut être utilisée pour générer de l'énergie électrique. La quantité d'énergie actuellement générée par l'énergie marémotrice n'est pas importante, mais c'est possible, ce qui est en soi remarquable.

Applications des ondes sonores

Les ondessonores peuvent être générées dans les gaz, comme l'air, mais aussi dans les liquides et les solides. Les ondes sonores sont desondes longitudinales , ce qui signifie que les particules d'air vibrent dans la même direction que celle dans laquelle l'onde se propage.

Applications des ondes sonores : L'oreille

L'utilisation la plus courante et probablement la plus importante des ondes sonores est la communication verbale quotidienne. Lorsque nous parlons, le mouvement des différentes parties de notre bouche provoque des vibrations dans l'air qui l'entoure. Ces vibrations sont transportées dans l'air en perturbant les molécules d'air voisines. Cette chaîne de perturbations se propage jusqu'à ce que l'onde sonore atteigne sa cible, qui est généralement l'oreille de notre interlocuteur. Les ondes sonores sont constituées de zones dans lesquelles les molécules d'air sont écrasées plus près les unes des autres ; c'est ce qu'on appelle des compressions. Les zones dans lesquelles les molécules d'air sont plus éloignées les unes des autres sont appelées raréfactions. La figure ci-dessous montre les zones de compression et de raréfaction dans une onde sonore typique.

Une onde sonore se déplaçant de la source à l'oreille. Les zones sombres ont plus de molécules d'air vibrantes (compressions) tandis que les zones plus claires en ont moins (raréfactions), Wikimedia Commons CC 1.0

Les limites de fréquence de la gamme auditive humaine sont$20\mathrm{Hz}$à$20\mathrm{kHz}$. Tout son dont la fréquence est inférieure à$20\mathrm{Hz}$ou supérieure à$20\mathrm{kHz}$ne peut pas être détecté par l'homme. Cette gamme de fréquences est connue sous le nom de spectre audible.

Applications des ondes sonores : Sonar

Les ondes sonores peuvent être utilisées pour la communication, la musique et d'autres applications qui reposent sur le déplacement du son dans l'air. Le son peut également traverser les liquides et les solides. Le son voyage plus rapidement dans l'eau que dans l'air, et parcourt également de plus grandes distances dans l'eau que dans l'air. Ce fait est l'un des facteurs qui a donné naissance au concept de sonar. Sonar est un acronyme qui signifie "navigation sonore et télémétrie". Il s'agit de l'utilisation des ondes sonores dans l'eau pour détecter les obstacles sous-marins, tels que les mines marines, et les objets cachés sous la surface de l'océan, par exemple les sous-marins.

Les ondes sonores qui se déplacent dans l'eau subissent une propriété importante du mouvement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle : la réflexion. Une source de son ou émetteur émet une onde sonore qui se propage vers l'extérieur, frappe un objet, est ensuite réfléchie et revient vers l'émetteur. Un récepteur est alors utilisé pour détecter l'onde réfléchie (écho) et la comparer au profil de l'onde originale pour s'assurer que la réflexion est vraiment la même onde. La distance$r$de l'objet peut alors être déterminée puisque la vitesse de l'onde dans l'eau est connue. L'onde parcourt une distance totale de$2r$pour faire l'aller-retour jusqu'à l'objet et revenir en un temps de$t$. Comme la vitesse du son dans l'eau$v$est constante, la distance$r$peut être calculée comme suit

$\begin{array}{lcl}\mathit{2}r& =& vt\\ \mathit{}r& =& \frac{vt}{\mathit{2}}\end{array}$

Le principe qui sous-tend le fonctionnement du sonar peut être visualisé dans le diagramme ci-dessous. L'onde originale frappe l'obstruction, qui est l'objet. Elle se réfléchit ensuite vers l'émetteur et est finalement reçue.

Le principe de fonctionnement du sonar. Une onde est émise par un émetteur et reçue après avoir été réfléchie par l'objet. Le temps de retour de l'onde indique la distance de l'objet, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Applications des ondes sonores : Ultrasons

Si tu as déjà vu une échographie d'un bébé chez une femme enceinte, tu auras vu une image qui montre les caractéristiques du fœtus. C'est un exemple de l'utilisation des ondes ultrasonores en médecine. Les ondes ultrasonores utilisent un principe similaire à celui du sonar : la réflexion. Un appareil appelé transducteur est utilisé pour générer et recevoir des ondes sonores dont la fréquence est des centaines de fois supérieure à la limite supérieure de l'audition humaine. Les ondes sonores sont partiellement réfléchies aux limites des différents tissus du corps humain. Les ondes réfléchies sont reçues par le transducteur qui les transforme en un signal numérique qui est visualisé sous forme d'image. Les différents tissus et structures du corps réfléchissent les ondes dans différentes directions et avec différentes amplitudes. Le résultat est une image de la structure d'intérêt (tissu, organe, etc.) qui est produite. L'image ci-dessous est un exemple d'image produite par les ultrasons.

Image échographique de la veine cave inférieure chez un être humain. Une impulsion ultrasonore est envoyée dans le corps et les variations d'intensité de l'impulsion réfléchie sont utilisées pour créer cette image.

Les ondes ultrasonores de basse fréquence peuvent pénétrer plus profondément dans les tissus, mais les détails de l'image résultante sont plus faibles. Les ondes ultrasonores de fréquence plus élevée ne peuvent pas pénétrer aussi profondément mais fournissent une image avec une plus grande résolution. Nous pouvons déterminer la profondeur de la limite entre les tissus sous la surface de la peau, en utilisant l'équation que nous avons faite pour le sonar, c'est-à-dire ,

$r=\frac{vt}{2}$

où$v$est la vitesse de l'onde ultrasonore,$t$est le temps total d'émission et de réception de l'onde par le transducteur et$r$la profondeur de la limite des tissus.

Applications des ondes radio

Les ondes radio sont les ondes électromagnétiques du spectre électromagnétique dont les plus grandes longueurs d'onde sont d'environ.$1\mathrm{km}$. Elles peuvent donc parcourir les plus longues distances de toutes les ondes électromagnétiques. En raison de cette capacité à parcourir de longues distances, les ondes radio sont généralement utilisées pour la communication et la détection. Nous allons aborder deux applications des ondes radio, à savoir les téléphones portables et les radars. Les ondes radio contribuent au rayonnement de fond et sont généralement considérées comme sûres, mais il est préférable de rester loin de la source d'ondes radio. Le symbole international de danger des ondes radio nocives est illustré dans la figure ci-dessous.

L'image montre le symbole de danger des ondes radio. Il signifie généralement que tu es proche d'une source d'ondes radio et que tu dois rester à l'écart de la zone, Public Domain Vectors

Applications des ondes radio : Téléphones mobiles

Non seulement les ondes radio parcourent de longues distances, mais elles savent aussi pénétrer les matériaux solides, comme les murs. Les ondes radio sont donc idéales pour transporter les signaux cellulaires et téléphoniques. Les téléphones cellulaires sont équipés de récepteurs et d'émetteurs intégrés. Les émetteurs convertissent les signaux audio en ondes radio électromagnétiques. Les ondes radio parcourent ensuite de longues distances et sont acheminées et relayées par des stations et des tours cellulaires jusqu'à ce qu'elles atteignent le téléphone du destinataire. Le récepteur décode alors le signal en audio, qui est lu par le destinataire. Un autre avantage des ondes radio dans cette application est qu'elles se déplacent à la vitesse des ondes électromagnétiques dans l'espace libre, c'est-à-dire$c$;$300$millions de mètres par seconde ! Cela signifie que la communication peut se faire presque instantanément avec très peu de retard. La figure ci-dessous montre une image d'une tour cellulaire typique.

Cette image représente une tour cellulaire typique utilisée pour relayer les ondes radio de l'émetteur au récepteur. Les tours sont généralement hautes pour que la plupart des ondes ne soient pas absorbées par le sol.

Applications des ondes radio : Radar

Radar est un acronyme qui signifie radio détection et télémétrie. Le principe du radar est assez similaire à celui du sonar, mais il utilise des ondes électromagnétiques plutôt que des ondes sonores. Les ondes sonores ne se déplacent pas assez rapidement dans l'air pour être utiles à la détection d'obstacles, par exemple un avion en approche. Nous nous tournons donc vers les ondes du spectre électromagnétique qui peuvent également subir la propriété de mouvement ondulatoire de la réflexion pour détecter les objets qui se trouvent dans le ciel. Les ondes radio sont transmises dans l'air par de grandes antennes, se réfléchissent lorsqu'elles rencontrent un obstacle et reviennent par le même moyen vers le récepteur. Nous pouvons alors utiliser le temps que met l'onde radio à revenir pour déterminer la distance de l'objet. L'onde parcourt une distance totale de$2r$pour faire l'aller-retour jusqu'à l'objet et revenir en un temps de$t$. Comme la vitesse des ondes électromagnétiques$c$dans l'air est constante, la distance$r$peut être calculée comme suit par

$$\begin{gathered} \mathit{2}r\mathit{=}ct \\ \mathit{}\mathit{}r\mathit{=}\frac{\mathit{c}\mathit{t}}{\mathit{2}} \end{gathered}$$

L'image ci-dessous montre une photo d'une antenne radar qui peut envoyer des ondes radio électromagnétiques et recevoir également les ondes réfléchies. La taille du radar est proportionnelle à la distance sur laquelle les signaux peuvent être envoyés ou reçus.

Image d'une antenne radar capable d'envoyer une onde radio et de recevoir l'onde réfléchie. La taille de l'antenne est relativement importante pour que les signaux puissent être envoyés et reçus sur de longues distances.

Application des ondes lumineuses

Rappelle que les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques, comme les ondes radio, qui se situent dans la région visible du spectre électromagnétique. En termes simples, la lumière est une onde électromagnétique que nous pouvons voir. Tu ne penses peut-être pas que les applications des ondes lumineuses sont nombreuses, mais c'est probablement parce que nous nous sommes habitués à ce que notre environnement soit toujours éclairé. Passe une nuit sans électricité et l'importance de la lumière devient soudain plus évidente.

Applications des ondes lumineuses : La photographie au flash

As-tu déjà remarqué le sac d'un photographe professionnel ? Il est assez grand par rapport à la taille de l'appareil photo. L'une des pièces d'équipement les plus importantes, qui peut parfois être plus grande que l'appareil photo lui-même, est le flash. Le flash d'un appareil photo est un dispositif qui fournit un faisceau de lumière court et intense afin d'éclairer la scène à photographier. La lumière blanche produite est suffisamment intense pour éclaircir une image et permettre de prendre une photo plus claire et de meilleure qualité. Il s'agit d'un exemple simple mais courant de l'application des ondes lumineuses. La figure ci-dessous est celle d'un flash d'appareil photo typique.

Cette image montre un flash blanc brillant généré par un appareil photo numérique moderne. Le flash est utilisé pour éclairer la scène pour un photographe, ce qui permet de prendre une image plus claire, Wikimedia Commons.