Brevet FR2729778A1 — publié le 19960726

La présente invention concerne un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique destiné à mettre en évidence l'effet Doppler-Fizeau. On connaît l'effet dit Doppler ou Doppler-Fizeau qui consiste en un phénomène physique se produisant lorsqu'une source de vibration (par exemple des sons, ultra-sons) ou de rayonnement électro-magnétique (lumière, ondes radio) de fréquence donnée est en mouvement par rapport à un observateur, et qui se traduit pour celui-ci par une modification de la fréquence perçue. Une illustration bien connue de ce phénomène est la perception plus aigué du son de l'avertisseur d'un véhicule quand celui-ci se rapproche, ou plus grave quand il s'éloigne. I1 en est de même de la lumière qui, reçue d'une source qui s'éloigne, est décalée vers le rouge. Dans le domaine de l'enseignement, on voudrait pouvoir illustrer par une expérimentation pratique ce phénomène énoncé en cours de façon théorique. Toutefois, la mise en oeuvre d'une telle expérimentation est difficile à réaliser, dans la mesure où la modification de la fréquence perçue est fonction du rapport de la vitesse relative de la source par rapport à l'observateur à la célérité de l'onde émise par la source. On comprend donc que l'apparition d'un phénomène observable ne peut avoir lieu que pour des vitesses de déplacement élevées.Toutefois, alors que la célérité des rayonnements lumineux est d'un ordre de grandeur difficilement accessible dans la pratique, celle des vibrations sonores permet d'observer une variation sensible de la fréquence de vibration perçue pour une vitesse relative, entre la source et l'observateur, de l'ordre de quelques dizaines de mètres par seconde. I1 est donc plus aisé dans la pratique d'observer une application de l'effet Doppler sur une source sonore que sur une source lumineuse. Néanmoins, l'obtention de telles vitesses et l'installation d'un dispositif d'observation et de quantification des vibrations perçues pour la vérification expérimentale des connaissances théoriques concernant le phénomène posent de nombreux problèmes d'ordre pratique, notamment dans le cadre d'un espace réduit tel qu'un laboratoire de lycée, collège, etc. C'est la raison pour laquelle il est apparu intéressant de chercher à réaliser un dispositif particulier permettant une telle expérimentation, qui soit de structure simple et compacte et qui facilite la quantification du phénomène. La présente invention a donc pour objet un dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique destiné à mettre en évidence l'effet Doppler-fizeau, comportant un socle, au moins un couple émetteur-récepteur à ultrasons, dont l'un des composants, c'est-â-dire soit l'émetteur, soit le récepteur, est monté tournant autour d'un axe fixe par rapport au socle en étant entraîné par un moyen associé pour décrire une trajectoire circulaire, et dont l'autre composant est monté fixe par rapport à ce socle dans un plan contenant la trajectoire circulaire du composant tournant, ces deux composants étant agencés de telle façon que l'onde sonore issue de l'émetteur soit dirigée sensiblement tangentiellement à la trajectoire du composant tournant et soit reçue périodiquement par le récepteur sur une portion délimitée de cette trajectoire, ledit récepteur délivrant alors un signal électrique donnant au moins la fréquence de vibration de l'onde sonore, et un interrupteur analogique d'échantillonnage associé au récepteur et piloté par la rotation du composant tournant de façon à commander la mise en service dudit récepteur sur ladite portion délimitée de la trajectoire du composant tournant. Le dispositif ainsi réalisé peut être de dimension très réduite, dans la mesure où une vitesse de déplacement relative entre l'émetteur et le récepteur peut être obtenue grâce à une vitesse de rotation élevée du composant tournant. Même en cas de faible éloignement du composant tournant par rapport à son axe de rotation. L'interrupteur analogique d'échantillonnage associé au récepteur permet de réaliser une mesure de la fréquence de vibration perçue par le récepteur exclusivement sur une portion de la trajectoire du composant tournant suffisamment faible pour être considérée comme sensiblement linéaire. La vitesse relative de déplacement entre l'émetteur et le récepteur est ainsi réduite à une composante unique de rapprochement ou d'éloignement directement proportionnelle à la vitesse de rotation du composant tournant. On peut donc accéder très facilement à cette vitesse relative de déplacement et la relier à la fréquence de vibration mesurée par le récepteur afin de quantifier le phénomène. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, l'interrupteur analogique comporte d'une part une fourche optique montée fixe par rapport au socle et comprenant deux branches entre lesquelles passe un faisceau lumineux sensiblement radial à la trajectoire du composant tournant et formant barrière, et d'autre part un cache agencé sensiblement tangentiellement à l'axe de rotation du composant tournant, de manière à occulter périodiquement ledit faisceau sur la portion délimitée de la trajectoire du composant tournant pour laquelle le récepteur reçoit l'onde sonore issue de l'émetteur. Avantageusement encore, le dispositif comporte un boîtier incluant le socle et formant une enveloppe protectrice pour l'ensemble émetteur-récepteur à ultrasons.. Le composant tournant est ainsi isolé de l'extérieur, ce qui permet d'éviter tout risque d'accident. Dans ce cas, le dispositif peut comporter un mécanisme de verrouillage n'autorisant l'ouverture du boîtier qu'après l'arrêt du moyen d'entraînement, avec de préférence un moyen de temporisation associé audit mécanisme pour garantir une immobilisation complète du composant tournant avant l'ouverture du boîtier. Selon une autre caractéristique avantageuse de l'invention, le composant tournant est monté sur un plateau rotatif dont l'axe constitue l'axe fixe du composant tournant, ledit axe étant sensiblement perpendiculaire au plan de base du socle, et ledit plateau étant entraîné en rotation par un moteur électrique associe. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le composant tournant est l'émetteur et le composant fixe est le récepteur. L'émetteur peut alors être alimenté par une batterie montée fixe par rapport au composant tournant. L'émetteur est alors avantageusement alimenté via un interrupteur centrifuge, tel qu'un interrupteur à goutte de mercure, commandant la mise en service de l'émetteur seulement à partir d'une vitesse de rotation prédéterminée de ce dernier. En particulier, le dispositif comporte également un interrupteur d'étalonnage commandant l'alimentation de l'émetteur par la batterie indépendamment de l'interrupteur centrifuge. Dans le cas où l'émetteur est monté sur un plateau rotatif, ce dernier porte de préférence la batterie, linter- rupteur centrifuge et l'interrupteur d'étalonnage, ladite batterie étant de préférence calée sur l'axe du plateau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier et non limitatif, en liaison avec les figures en annexe, où : - la figure 1 est une vue en perspective du dispositif selon l'invention - la figure 2 est une vue en plan du dispositif selon l'invention - les figures 3a, 3b et 3c sont des vues montrant l'écran d'un oscilloscope raccordé au capteur du dispositif. En référence aux figures 1 et 2, le dispositif d'expérimentation comporte un boîtier 1 constitué d'un socle 3 et d'un couvercle 5 transparent et amovible. On pourra par exemple réaliser un socle 3 en matière plastique rigide moulée telle que du polystyrène ou du polychlorure de vinyle, et le couvercle 5 en matière plastique transparente. Le couvercle 5 est ici entièrement amovible par rapport au socle 3, mais il est possible de disposer des charnières entre le socle et le couvercle pour rendre le couvercle pivotant et faciliter ainsi les manipulations. A l'intérieur du boîtier 1, un moteur électrique 7, alimenté par une. source électrique extérieure (non représentée) par l'intermédiaire d'un potentiomètre 35, est rigidement fixé sur une base horizontale 4 du socle 3. Ce moteur possède un arbre de sortie ayant un axe 8 sensiblement perpendiculaire à cette base. Un plateau 9 est monté sur cet arbre de sortie perpendiculairement à l'axe 8 et est ainsi entraîné en rotation par le moteur 7 autour de l'axe 8. Un émetteur 11 à ultrasons est rigidement fixé sur le plateau 9 à distance de l'axe 8, et est orienté sensiblement tangentiellement à la trajectoire circulaire qu'il décrit autour de l'axe 7 lors de la rotation du plateau 9. L'émetteur ll est alimenté par une batterie 13 (ou deux batteries superposées) montée sur le plateau 9 en étant centrée sur l'axe 8. Un interrupteur centrifuge 15 commande l'alimentation de l'émetteur 11 par la batterie 13 à partir d'une vitesse de rotation déterminée du plateau 9. Cet interrupteur peut être par exemple constitué par une rampe inclinée en direction de l'axe 8 sur laquelle peut glisser une goutte de mercure qui, en s'éloignant de l'axe 8, vient mettre en contact électrique deux cosses reliées pour l'une à la batterie 13 et pour l'autre à l'émetteur 11. Un interrupteur d'étalonnage 17, de type classique, est en outre disposé sur le plateau 9 pour commander l'alimentation de l'émetteur 11 par la batterie 13 indépendamment de l'interrupteur centrifuge 15.Un balourd 19 est monté sur le plateau 9 de l'autre côté de l'émetteur 11 par rapport à l'axe 8 pour assurer l'équilibrage de l'ensemble tournant ainsi réalisé. On pourra naturellement remplacer le balourd 19 par une batterie supplémentaire assurant la même fonction d'équilibrage tout en augmentant l'autonomie du dispositif. Un récepteur 21 est fixé sur le socle 3 en étant orienté pour recevoir périodiquement l'onde sonore issue de l'émetteur 11 et délivrer un signal électrique correspondant à l'amplitude et à la fréquence de l'onde sonore reçue. La mise en service du récepteur 21 est commandée par un interrupteur analogique d'échantillonnage 23. Cet interrupteur 23 est piloté par la rotation du plateau 9 pour commander la mise en service du récepteur 21 sur une portion angulaire délimitée du mouvement de rotation du plateau 9, portion qui correspond à une portion délimitée de la trajectoire de l'émetteur 11 pour laquelle l'émetteur 11 est orienté sensiblement en direction du récepteur 21. En l'espèce, l'interrupteur analogique d'échantillonnage 23 comporte d'une part une fourche optique 25 montée fixe sur le socle 3 et comprenant deux branches 25a et 25b entre lesquelles passe un faisceau lumineux, à rayonnement infrarouge ou autre, sensiblement radial à la trajectoire de l'émetteur 11 et formant barrière, et d'autre part un cache 27 monté fixe sur le plateau 9 et agencé sensiblement circonférentiellement par rapport à l'axe 8, de manière à occulter périodiquement le faisceau lumineux infrarouge sur la portion angulaire délimitée du mouvement de rotation du plateau 9 pour laquelle l'émetteur 11 est orienté en regard du récepteur 21. Le récepteur 21 est en outre relié à une borne de sortie 29 du socle 3 raccordée aux bornes d'un oscilloscope 31 dont une représentation schématique est donnée aux figures 3a, 3b et 3c. Par ailleurs, un mécanisme de verrouillage 32 est disposé entre le socle 3 et le couvercle 5 pour n'autoriser l'ouverture du couvercle 5 qu'après l'immobilisation du plateau 9. Ce mécanisme peut être constitué, comme dans l'exemple illustré, d'une barrette coulissante 32.1 actionnée par une tige filetée 32.2 et portant un doigt de verrouillage 32.3 du couvercle 5. Cette barrette coulissante est associée à un interrupteur (non visible aux figures) monté sur le circuit d'alimentation du moteur 7 et agencé de façon à autoriser l'alimentation de ce moteur seulement après un vissage complet de la barrette 32.1 sur la tige filetée 32.2 correspondant à une position du doigt de verrouillage 32.3 dans laquelle celui-ci est engagé dans une ouverture correspondante du couvercle 5.L'ouverture du couvercle 5 n'est ainsi autorisée qu'après un temps de dévissage suffisant pour que le plateau 9 s'immobilise complètement après coupure de son alimentation. Dans l'exemple illustré, on a de plus disposé sur le couvercle 5 un aimant 37 qui commande un interrupteur magnétique 39 disposé sur le circuit d'alimentation du moteur 7 et solidaire du socle 3, de sorte qu'en l'absence de l'aimant, c'est-à-dire en cas d'ouverture ou de fermeture incomplète du couvercle 5, l'interrupteur associé coupe le circuit d'alimentation du moteur 7. Pour réaliser une expérimentation de l'effet Doppler-Fizeau à partir du dispositif qui vient d'être décrit, il convient de régler préalablement la fréquence de l'onde sonore émise par l'émetteur 11 en plaçant manuellement le plateau 9 (à l'arrêt) de telle façon que l'émetteur 11 soit orienté en regard du récepteur 21 et en actionnant l'interrupteur 17 pour provoquer la mise en service de l'émetteur. Le récepteur 21 délivre alors un signal électrique indiquant l'amplitude et la fréquence de l'onde sonore reçue. L'amplitude et la fréquence de ce signal peuvent être lues directement sur l'écran de l'oscilloscope 31, comme illustré par la figure 3a, et réglées par l'expérimentateur, en intervenant directement sur l'émetteur 11, à des valeurs déterminées. Après fermeture du couvercle 5 et verrouillage complet du mécanisme 32, on commande l'alimentation du moteur 7 en agissant sur un interrupteur de marche-arrêt 38 (ce qui allume un témoin lumineux 38.1), et la vitesse de rotation du plateau 9 en agissant sur le potentiomètre 35. A partir d'une certaine vitesse de rotation du plateau 9, l'interrupteur centrifuge 15 commande la mise en service de l'émetteur 11. L'onde sonore émise par cet émetteur est alors reçue périodiquement par le récepteur 21 qui est mis en service sur cette même courte période par l'interrupteur analogique d'échantil- lonnage 23. Le récepteur 21 délivre ainsi périodiquement un signal donnant l'amplitude et la fréquence de l'onde sonore reçue. Ce signal peut être visualisé sur l'écran de l'oscilloscope 31. A ce propos, on notera que le rôle de l'interrupteur analogique d'échantillonnage 21 est très important, dans la mesure où en son absence l'onde sonore émise par l'émetteur 11, et qui est réfléchie sur les parois du boîtier 1, parviendrait au capteur 21 après des cheminements très variables qui rendraient inexploitable l'onde sonore finalement reçue par le récepteur 21. De plus, la portion délimitée de la trajectoire de l'émetteur 11 peut être considérée comme sensiblement linéaire. Par conséquent, sur cette portion, la vitesse de rapprochement ou d'éloignement de l'émetteur 11 par rapport au récepteur 21 est directement proportionnelle à la vitesse de rotation du plateau 9. A la figure 3b, on a illustré le cas où le plateau 9 tourne dans un sens schématisé par la flèche A qui correspond à un rapprochement de l'émetteur 11 vers le récepteur 21. On constate sur l'écran de l'oscilloscope que la fréquence perçue par le récepteur 21 est plus élevée que la fréquence de l'onde sonore émise par l'émetteur 11, c'est-àdire celle qui avait été obtenue lors du réglage préliminaire sans rotation du plateau 9 et qui correspond à la représentation de la figure 3a. A la figure 3c, on a illustré le cas où le plateau 9 tourne en sens opposé, symbolisé par la flèche B, c'est-àdire dans le sens qui correspond à un éloignement de l'émet teur 11 par rapport au récepteur 21. L'inversion du sens de rotation du moteur 7 est ici commandée par un inverseur 36. Comme cela est visible sur l'écran de l'oscilloscope 31, la fréquence perçue par le récepteur 21 est plus faible que la fréquence de l'onde sonore émise par l'émetteur 11. Pendant la rotation du plateau 9, le boîtier 1 forme une enveloppe de protection pour l'ensemble émetteurrécepteur destinée tant à protéger le dispositif qu'à éviter un accident tel que la rencontre d'une main avec le plateau en rotation ou la projection vers l'extérieur d'un organe du dispositif mal fixé sur le plateau tournant. A ce propos, on notera que, pour obtenir une variation significative de la fréquence perçue, il est nécessaire d'atteindre des vitesses de rotation relativement élevées du plateau 9. Par exemple pour obtenir une variation de l'ordre de 5 t de la fréquence d'un ultrason pour une distance d'une quinzaine de centimètres entre l'axe 8 et l'émetteur 11, une vitesse de rotation du plateau de l'ordre de 3000 tours/minute doit être atteinte. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire tout dispositif reprenant, avec des moyens équivalents, les caractéristiques essentielles énoncées ci-dessus. Par exemple, même si dans le dispositif précédemment décrit l'émetteur était monté tournant et le récepteur monté fixe, il est possible de réaliser un dispositif d'expérimentation dans lequel le récepteur est monté tournant tandis que l'émetteur est monté fixe. Dans ce cas le signal délivré par le récepteur est acheminé vers la borne de sortie du dispositif par l'intermédiaire d'un raccord électrique tournant disposé entre l'émetteur et le socle. De même, dans le cas où l'émetteur est monté tournant et le récepteur fixe et au lieu d'alimenter l'émetteur par une pile qu'il faut remplacer périodiquement, il est possible d'alimenter l'émetteur à partir d'une source d'alimentation extérieure, via un raccord électrique tournant disposé entre l'émetteur et le socle. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'expérimentation à caractère pédagogique destiné à mettre en évidence l'effet Doppler Fizeau, caractérisé en ce qu'il comporte un socle (3), au moins un couple émetteur (11)- récepteur (21) à ultrasons, dont l'un des composants, c'est-à-dire soit l'émetteur, soit le récepteur, est monté tournant autour d'un axe (8) fixe par rapport au socle (3) en étant entraîné par un moyen associé (7) pour décrire une trajectoire circulaire, et dont l'autre composant est monté fixe par rapport à ce socle dans un plan contenant la trajectoire circulaire du composant tournant, ces deux composants étant agencés de telle façon que l'onde sonore issue de l'émetteur (11) soit dirigée sensiblement tangentiellement à la trajectoire du composant tournant et soit reçue périodiquement par le récepteur (21) sur une portion délimitée de cette trajectoire, ledit récepteur délivrant alors un signal électrique donnant au moins la fréquence de vibration de l'onde sonore, et un interrupteur analogique d'échantillonnage (23) associé au récepteur (21) et piloté par la rotation du composant tournant de façon à commander la mise en service dudit récepteur (21) sur ladite portion délimitée de la trajectoire du composant tournant. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interrupteur analogique comporte d'une part une fourche optique (25) montée fixe par rapport au socle (3) et comprenant deux branches (25a, 25b) entre lesquelles passe un faisceau lumineux sensiblement radial à la trajectoire du composant tournant et formant barrière, et d'autre part un cache (27) agencé sensiblement tangentiellement à l'axe de rotation (8) du composant tournant, de manière à occulter périodiquement ledit faisceau sur la portion délimitée de la trajectoire du composant tournant pour laquelle le récepteur (21) reçoit l'onde sonore issue de l'émetteur (11). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (1) incluant le socle (3) et formant une enveloppe protectrice pour l'ensemble émetteur-récepteur à ultrasons. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme de verrouillage (32) n'autorisant l'ouverture du boîtier (1) qu'après l'arrêt du moyen d'entraînement, avec de préférence un moyen de temporisation associé audit mécanisme pour garantir une immobilisation complète du composant tournant avant l'ouverture du boîtier (1). 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le composant tournant est monté sur un plateau rotatif (9) dont l'axe (8) constitue l'axe fixe du composant tournant, ledit axe étant sensiblement perpendiculaire au plan de base du socle (3), et ledit plateau étant entraîné en rotation par un moteur électrique associé (7). 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le composant tournant est l'émetteur (11) et le composant fixe est le récepteur (21). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'émetteur (11) est alimenté par une batterie (13) montée fixe par rapport au composant tournant (11). 8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que l'émetteur (11) est alimenté via un interrupteur centrifuge (15), tel qu'un interrupteur à goutte de mercure, commandant la mise en service de l'émetteur (11) seulement à partir d'une vitesse de rotation prédéterminée de ce dernier. 9.Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un interrupteur d'étalonnage (17) commandant l'alimentation de l'émetteur (11) par la batterie (13) indépendamment de l'interrupteur centrifuge (15). 10. Dispositif selon la revendication 5 et les revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le plateau rotatif (9) porte la batterie (13), l'interrupteur centrifuge (15) et l'interrupteur d'étalonnage (17), ladite batterie étant de préférence calée sur l'axe de rotation (18) du plateau.