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Ondes stationnaires ultrason et lévitation de petits objets

Un modèle de documentation minimal pour tous les types de projets. Toutes les catégories ci-dessous doivent être renseignées, même de façon succincte.
IMPORTANT : Merci de sélectionner le / les tags adéquats dans le menu de droite, et de ne pas créer de nouveau tag.
Les fichiers sources doivent idéalement être joints à cette page grâce à l'icône trombone du menu de droite.
Des hésitations sur comment bien documenter et utiliser l'interface ? Consultez le tutoriel "Comment documenter"

Informations

  • Ilayda SIMSEK (mail) M1 Physique fondamentale et applications (PFA) ; Adama DIOUF (mail) M1 PFA ; Nathan BARBE (Nathan.Barbe@sorbonne-universite.fr) M1 PFA ; Auguste MAILLOT (auguste.maillot@etu.sorbonne-universite.fr) M1 PFA CMI
  • 24 janvier  - mars 2024
  • En présentiel les lundis, mardi et jeudi après-midi

HORAIRES D'OUVERTURE FABLAB :  Lundi/Mardi/Jeudi/Vendredi 14h-18h30

Contexte et objectif

Les ondes stationnaires sont présentes dans de nombreux aspects de la vie, influençant la musique, la couleur des choses. En effet les ondes stationnaires sont utilisées dans de nombreux domaines tels que :

  • La médecine (imagerie médicale)
  • Acoustique des salles (contrôle de réflexion et résonance)
  • Manipulation des particules (manipulation des cellules biologiques)
  • Procédé Lippman: première photographie en couleur (utilise les ondes stationnaires pour mesurer une épaisseur de couches mince, elle repose sur les interférences des ondes ultrasonores pour enregistrer les différentes couleurs, les filtres interférentiel sont utilisés pour sélectionner ou filtrer les ondes ultrasonores)

C’est ce dernier exemple qui nous amène à la réalisation de ce projet, visant à exploiter une onde stationnaire ultrasonore, typiquement de 20 kHz avec des longueurs d’onde de 2 cm, pour créer un montage expérimental permettant de la produire et de la visualiser. On pourra, enfin, essayer de faire léviter des objets à travers les ventres et les nœuds de l’onde stationnaire obtenue, comme réalisé dans la vidéo

Objectifs

Ce projet vise à exploiter une onde stationnaire ultrasonore,typiquement de 20 kHz avec des longueurs d’onde de 2 cm, pour créer un montage expérimental permettant de la produire et de la visualiser.

L’onde stationnaire sera créée entre un générateur et une plaque de verre, ajustable, avec sa visualisation réalisée par la diffusion de la lumière (imagerie Schlieren).

image.pngSource : Acoustic Standing Waves and the Levitation of Small Objects, Harvard Natural Sciences Lecture Demonstrations.

Théorie

Blablabla c'est la théorie donc ça marche

WhatsApp Image 2024-01-31 à 17.30.06_88266ecf.jpg

Matériel

Nom de l'élément

Description, dimensions,

caractéristiques

 Lien
 Prix unitaire Quantité Remarques
source d'onde ultra sonore 
 frequence=20kHz

1
sphere de polystyrene 

4mm de diametre

poids=1.5

20
Pince  pour la plaque de verre


1
Miroir


1
plaque de verre


1

 BNC de sécurité 

 


2
pincette


1
1 carte d'acquisition avec GBF incorporé + ordinateur


1
  

Machines & outils utilisées

Découpeuse à jet d'eau ? Pour découper une lame de verre

Découpeuse laser pour support un bois de l'expérience.

Sources bibliographiques et références

Liens articles/théories + petit descriptif

Mise en place du montage

(Fichiers, sources documentaires, photos, code, explications, paramètres d'usinage, photos, captures d'écran...)

Étape 1

Pour faire le montage experimental: on dispose un plaque de verre a une distance d d'une source d'onde ultra sonore.Le plaque de verre vas reflechir le son provenant de la source vers le bas; les ondes qui descendent interfernt de maniere constructive (les deux ondes sont en phase), avec les ondes qui montent vers le plaque de verre ce qui nous donnent des regions de hautes et de basse pression fixent.

Étape 2

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Étape 3

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Journal de bord

Avancée du projet à chaque étape, difficultés rencontrées, modifications et adaptations

28/01/2024

Première réunion d'organisation à distance. Ordre du jour :

  • Mise en place d'un calendrier en fonction des disponibilités de chacune et chacun.
  • Clarification du sujet et du contexte de travail.
  • Répartition du travail dans le temps et dans l'équipe
  • Planification des jalons du projet
  • Écriture d'un document pour le premier jalon du projet qui retranscrit la réunion en question.
31/01/2024

Première séance au Fablab prévue, malheureusement le lieu était fermé. Nous nous sommes donc retrouvés dans la salle de travail du couloir du master de physique pour avancer sur la recherche bibliographique préliminaire et sur l'inventaire expérimental. Nous avons mis en place cette page du wiki, et avec quelques difficultés à modifier la page à plusieurs, nous sommes arrivés à une première structure convaincante.

Avancées sur l'aspect théorique ; création d'un script MATLAB modélisant une onde stationnaire aux paramètres ajustables.

syms z;
syms t;
phi1 = 0; % phase at origin
c = 343; % celerity of sound in the air (20°C, m/s)
r = 1; % reflection coefficient; set to 1 (perfect mirror)
A = 1; % amplitude of the incident wave (V ?)
l = 1; % position of the first node (m)
L = 2*l; % distance inter-mirror (m)
t_step = linspace(0,2*L/c,101);
k = 0.5*pi/l;
w = c*k;
rho = 1.2041; % density of air (20°C, kg/m^3)
n = 3; % number of nodes to display
zeros = linspace(l,(2*n+1)*pi/(2*k),n+1); % nodes positions
f = @(z,t) eval(simplify(A*cos(k*z-w*t+phi1) + r*A*cos(-k*(z+L)-w*(t+L/c)+phi1))); % phase shift for reflected wave is 0+phase of incident wave at z=L because of the acoustic impedance of the mirror > air
dfdt = @(z,t) eval(simplify(A*w*sin(k*z-w*t+phi1) + r*A*w*sin(-k*(z+L)-w*(t+L/c)+phi1)));
p = @(z,t) eval(simplify(((f(z,t)^2)/(2*dfdt(z,t)) * w^2 * rho * c)));
F_p = @(z,t) eval(simplify(-(2*dfdt(z,t)^2 *f(z,t) + 2*w*k*(A*cos(k*z-w*t+phi1) - r*A*cos(-k*(z+L)-w*(t+L/c)+phi1))*f(z,t)^2)/(4*dfdt(z,t)^2) * w^2 * rho * c / 1000000));

for i = 1:(length(zeros)-1)
    xline(zeros(i), '--', 'HandleVisibility', 'off'); % Vertical line at x_values(i) with red dashed line
end


for tc = 1:length(t_step)
    tt = t_step(tc);
    hold off

    yyaxis left;
    fplot(f(z, tt),[0,(2*n+1)*pi/(2*k)+1], 'LineWidth', 2, 'DisplayName', 'A(z)');
    ylabel('A(z); (V)');
    ylim([-2*A, 2*A]);

    yyaxis right;
    fplot(F_p(z, tt),[0,(2*n+1)*pi/(2*k)+1], 'LineWidth', 2, 'DisplayName', 'F_p(z)');
    ylabel('F_p(z); (N/cm^3)');
    ylim([-2*10^2, 2*10^2]);

    xlabel('z (m)');
    title(['f = A*cos(k*z-w*t+phi1) + A*cos(-k*(z+L)-w*(t+L/c)+phi1) ; t =' num2str(tt)]);

    xlim([0, l*2*n])
    hold on
    % update screen
    drawnow
end

Galerie photos

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