Vitesse des ondes et densité des matériaux

Matériel nécessaire

Un PC avec carte son, deux capteurs piézométriques, adaptateur "cinch → jack stéréo", rallonges pour capteurs, logiciel Audacity, un mètre ruban.
La mesure de la vitesse se fait avec divers matériaux : la poutre de granite, béton coulé, une barre d'acier... On comparera ici la vitesse des ondes dans le granite et dans l'acier (matériau plus dense).

Installation du matériel

• Connecter les deux capteurs piézométriques à l'adaptateur "cinch → jack stéréo"
• Connecter  l'adaptateur "cinch → jack stéréo" à la rallonge.
• Connecter le jack stéréo de la rallonge à l'entrée en ligne de la carte son (Line in).
  
  
  Connectique utilisée
   
• Fixer 2 boîtiers capteurs, à l'aide de ruban adhésif large, à chaque extrémité de la poutre de granite.
  Un capteur sera placé au niveau du point d'impact (décalé de 2 ou 3 cm), et l'autre à l'extrémité de la barre de granite de 1 m de long.

Dispositifs utilisés

Ondes P générées dans du granite

Ondes P générées dans de l'acier

Configuration du logiciel Audacity

• Lancer Audacity
• Dans Édition, Préférences..., cliquer sur l'onglet "Périphériques".
• Choisir la carte son, utilisée pour la lecture et l'enregistrement.
• Pour les canaux, choisir "stéréo" et valider.
  
  
  Réglage d'Audacity
   
• Configurer l’échantillonnage

Pour cela, aller sur l'onglet "Qualité" et régler la fréquence d'échantillonnage sur "Autres". (le logiciel propose différentes fréquences mais peu pratiques pour le calcul par les élèves).
Si la carte son est suffisamment performante (et c'est souvent le cas actuellement), elle peut échantillonner jusqu'à 96 000 Hz ou au delà.
On admettra que ses performances permettent d'échantillonner jusqu'à 100 000 Hz. Dans la case "Autre... "taper 100 000  et valider. Un échantillon aura ainsi une valeur de 10^-5s, ce qui permet des calculs plus rapides

Réglage des échantillons

Réglage de la qualité

Réglage des unités de durée

Sur le bandeau en bas de la page, se placer sur "durée" et dans la liste déroulante, demander l'affichage en échantillons.

Acquisition des enregistrements "sismiques"

Lancer l'enregistrement en cliquant sur le bouton rouge.
A l'aide du maillet, l'extrémité de la poutre, le plus proche possible du boîtier capteur.
Arrêter l'enregistrement en cliquant sur le bouton jaune.

Traitement des enregistrements réalisés

Deux enregistrements apparaissent à l'écran. Chacun correspond aux ondes enregistrées par un capteur.
Effacer une partie de l'enregistrement allant du début jusqu'à quelques instants avant l'arrivée des premières ondes.
Dans "Vue" choisir "sec" (secondes)
Se placer au temps d'arrivée de l'onde sur le premier capteur.
En sélectionnant à l'aide du bouton gauche de la souris, se placer au temps d'arrivée de l'onde sur le deuxième capteur.
La durée entre les temps d'arrivée est affichée en bas à gauche de la fenêtre du logiciel. Zoomer si nécessaire.

Enregistrement d'une onde P obtenu avec Audacity pour le granite (Audacity version 1.26)

Calcul de la vitesse des ondes P dans le granite

On peut remarquer qu'en sélectionnant avec la souris, le temps entre l'arrivée des ondes P au premier capteur et l'arrivée des ondes P au deuxième capteur, le logiciel calcule automatiquement la différence de temps d'arrivée. Ici 0,000204 sec.
la vitesse calculée est de 1/0,OOO204 m.s^-1  soit 4,9 km.s^-1

Enregistrement obtenu avec Audacity pour des ondes générées dans l'acier (Audacity version 1.26)

Calcul de la vitesse des ondes P dans l'acier

La différence de temps est de 0,000170 sec
La vitesse calculée est de 1/0,000170 m.s^-1  soit 5,9 km.s^-1environ.

Selon les échantillons de roches dont on dispose en classe on peut diversifier les mesures

Vitesse des ondes et densité des matériaux