Un microphone sur
la planète Mars,
bac S Polynésie septembre 2019
En
poursuivant votre navigation sur ce site, vous acceptez l’utilisation
de Cookies vous proposant des publicités adaptées à vos centres
d’intérêts.
|
|
|
|
|
|
L'agence spatiale américaine (NASA)
enverra un nouveau rover sur Mars en 2020.
Un instrument toulousain, SuperCam, sera embarqué à bord.
SuperCam
est un instrument d'analyse des roches et des sols autour du rover Mars
2020. Il utilise entre autre la technique d'analyse spectroscopique
induite par ablation laser (LIBS). Son faisceau laser pulsé émet un
rayonnement à 1067 nm délivrant environ 15 mJ pour une durée
d'impulsion de 5 ns.
Ce laser de puissance tire sur une cible, ce qui provoque la fusion du
matériau et l'apparition d'un plasma que l'on détecte à distance en spectroscopie
UV-visible.
L'impact du laser génère également une forte onde de pression
détectable par un microphone.
Les mesures faites en laboratoire en conditions terrestres ont montré
que la puissance sonore des impacts du laser vaut 1,3 x10-2 W.
Données :
· Caractéristiques du vent martien :
En journée sur Mars, le vent souffle en moyenne à 3,5 m.s-1. Cela correspond à un son de niveau d’intensité sonore de l’ordre de 53 dB.
La vitesse du vent dépasse rarement 10 m.s-1, ce qui correspond à un son de niveau d’intensité sonore environ égal à 74 dB.
· Détectabilité d'un son sur Mars par le microphone de SuperCam :
Pour que le microphone de SuperCam puisse détecter un son malgré le
bruit du vent martien, il est nécessaire que le niveau d’intensité
sonore du son soit supérieur de 10 dB à celui du bruit du vent.
· Relation entre le niveau d'intensité sonore L (dB) et l'intensité sonore I (W.m-2) :
L = 10 log (I / I0) avec I0 = 1,0 × 10-12 W.m-2, intensité sonore de référence.
L'intensité sonore I à une distance R d'une source émettant dans toutes
les directions est reliée à la puissance sonore P de cette source par
la relation I = P /S
où S représente la surface de la sphère de rayon R (S = 4p R2 ).
· Dans le cas de la propagation du son sur Mars, il faut aussi tenir
compte de l'absorption due à l'atmosphère martienne. L'atténuation par
absorption atmosphérique A (en dB) est donnée par la relation :
A = -20 a(f) R / ln(10) -12.
où R est la distance à la source et α(f) le coefficient d'absorption atmosphérique, fonction de la fréquence du son.
· Coefficient d'absorption atmosphérique en fonction de la fréquence pour une
atmosphère de CO2 à la pression de 6 mbar et à la température de – 53 °C ;
conditions proches de celles de l’atmosphère de Mars.
|
|
|
Question préalable :
Justifier par un calcul l’appellation « laser de puissance » donnée au laser qui équipe SuperCam.
Energie délivrée : 1,5 10-2 J pour une durée
d'impulsion de 5 10-9 s.
Puissance : 1,5 10-2 / ( 5 10-9) =3 106 W, valeur très élevée.
Problème :
On suppose que les sons des impacts laser ont une
fréquence égale à 1 kHz. Déterminer dans quelle condition de vent,
parmi celles proposées, le microphone de l'instrument SuperCam sera
capable de détecter les sons des impacts laser.
Intensité sonore I = P / S avec P = 1,3 10-2 W ;
Pour R = 1 m : S = 4 x3,14 x 12 =12,56 m2.
I = 1,3 10-2 / 12,56 = 1,035 10-3 W m-2.
Niveau d'intensité sonore : L = 10 log( 1,035 10-3 / 10-12) ~90 dB.
Atténuation par absorption atmosphérique A (en dB) :
A = -20 a(f) R / ln(10) -12
A = -20 x0,014 x1 / ln(10) -12 = -12,1 ~-12 dB.
Niveau d'intensité sonore perçu par le micro : 90-12 =88 dB.
Le son est détectable par le micro, même pour un vent soufflant à 10 m /s.
Pour R = 2 m : S = 4 x3,14 x 22 =50,3 m2.
I = 1,3 10-2 / 50,3 = 2,58 10-4 W m-2.
Niveau d'intensité sonore : L = 10 log( 2,58 10-4 / 10-12) ~84 dB.
Atténuation par absorption atmosphérique A (en dB) :
A = -20 a(f) R / ln(10) -12
A = -20 x0,014 x2 / ln(10) -12 = -12,5 dB.
Niveau d'intensité sonore perçu par le micro : 84-12,5 =71,5 dB.
Le son est détectable par le micro uniquement par vent moyen.
Pour R = 10 m : S = 4 x3,14 x 102 =1256 m2.
I = 1,3 10-2 / 1256 = 1,03 10-5 W m-2.
Niveau d'intensité sonore : L = 10 log( 1,03 10-5 / 10-12) ~70 dB.
Atténuation par absorption atmosphérique A (en dB) :
A = -20 a(f) R / ln(10) -12
A = -20 x0,014 x10 / ln(10) -12 = -13,2 dB.
Niveau d'intensité sonore perçu par le micro : 70-13,2 ~56,8 dB.
Le son n'est pas détectable par le micro même par vent faible.
|
|