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Accueil/Ondes et son/Lévitation acoustique

Lévitation acoustique

Onde stationnaire P ∝ cos(kx)cos(ωt) ; nœuds de pression ; bille près d’un nœud — schéma, pas un piège tridimensionnel.

Onde

120 px
0 rad

Les lévitateurs à ultrasons utilisent des ondes stationnaires ; dans le tableau unidimensionnel le plus simple, les microparticules tendent vers les nœuds de pression. C’est un croquis qualitatif, pas un calcul complet du champ acoustique.

Mesures

Pas entre nœuds Δx60.0 px
k0.0524 rad/px

À propos du modèle

La lévitation acoustique : un petit objet est maintenu dans l’air par la force de rayonnement moyenne d’une onde sonore stationnaire. Entre la source et le réflecteur, le champ de pression est P(x,t) = P₀ cos(kx) cos(ωt), où k = 2π/λ, ω = 2πf. Les nœuds de pression (ventres de déplacement) sont les points de pression variable minimale ; la force de rayonnement y attire la particule et peut équilibrer le poids. À l’écran, un schéma unidimensionnel : les nœuds sont marqués, la bille est placée conventionnellement près d’un nœud. Milieu sans pertes, frontière parfaitement réfléchissante ; viscosité, écoulement acoustique et forme tridimensionnelle du piège ne sont pas pris en compte.

Public : Terminale et ondes de licence : ondes stationnaires, nœuds et ventres, force de rayonnement.

Notions clés

  • onde stationnaire
  • nœud de pression
  • ventre de déplacement
  • force de rayonnement
  • nombre d’onde
  • lévitation acoustique

Comment ça marche

Entre l’émetteur et le réflecteur — une onde stationnaire P = P₀ cos(kx) cos(ωt). Les nœuds sont les points où la pression variable est nulle. La force de rayonnement moyenne attire une petite particule vers le nœud et peut équilibrer le poids. À l’écran, un schéma unidimensionnel : nœuds marqués, bille placée conventionnellement près d’un nœud.

Questions fréquentes

Pourquoi la bille se tient-elle près d’un nœud de pression, et non près d’un ventre ?
La force de rayonnement moyenne, pour une petite particule compressible, va de la région de grande amplitude de pression vers la région de petite amplitude. Le nœud est un minimum de pression variable et un équilibre stable : la force vers le haut peut équilibrer le poids.
La pression change de signe à chaque demi-période. Pourquoi la bille ne tombe-t-elle pas vers le bas la moitié du temps ?
La force n’est pas proportionnelle à la pression instantanée. La résultante, après moyenne sur une période, est liée au gradient du carré de la pression et pointe toujours vers le nœud. La force de rappel ne change donc pas de signe avec cos(ωt).
En quoi le schéma diffère-t-il d’un vrai piège à ultrasons ?
Ici une onde stationnaire unidimensionnelle sans pertes. Les montages réels sont tridimensionnels : réflecteurs concaves, viscosité, écoulement acoustique. La fréquence est en général ultrasonore — le son n’est pas audible.