Calcul de la force de rayonnement acoustique

Exercice : Calcul de la Force de Rayonnement Acoustique

Calcul de la Force de Rayonnement Acoustique

Contexte : La Force de Rayonnement AcoustiqueForce moyenne exercée par une onde acoustique sur un objet placé dans son champ..

Les ondes acoustiques transportent de l'énergie et de la quantité de mouvement. Lorsqu'une onde interagit avec un objet, elle peut lui transférer une partie de cette quantité de mouvement, résultant en une force nette appelée force de rayonnement acoustique. Cette force, bien que souvent faible, est fondamentale dans divers phénomènes et applications tels que la lévitation acoustique, la manipulation de particules (cellules, micro-bulles) sans contact, la mesure d'intensité acoustique ou encore l'acoustophorèse. Cet exercice vise à calculer cette force dans un cas simple.

Remarque Pédagogique : Cet exercice vous permettra de comprendre l'origine physique de la force de rayonnement et d'appliquer les concepts d'intensité acoustiquePuissance acoustique par unité de surface. Mesure le flux d'énergie de l'onde. Unité : W/m². et de pression de radiationPression moyenne exercée par une onde acoustique sur une surface. pour la calculer dans le cas d'une onde plane incidente sur une surface parfaitement réfléchissante.


Objectifs Pédagogiques

  • Comprendre le concept de pression et de force de rayonnement acoustique.
  • Calculer l'intensité acoustique à partir de la pression.
  • Appliquer la formule de la force de rayonnement pour une onde plane sur une surface réfléchissante.
  • Analyser l'influence de l'intensité sur la force de rayonnement.

Données de l'étude

On considère une onde acoustique plane progressive harmonique se propageant dans l'eau. Cette onde rencontre une petite cible circulaire de rayon \(a\), parfaitement réfléchissante, orientée perpendiculairement à la direction de propagation de l'onde.

Caractéristiques du milieu et de l'onde
Caractéristique Symbole Valeur Unité
Masse volumique de l'eau \(\rho_0\) 1000 \(\text{kg/m³}\)
Vitesse du son dans l'eau \(c_0\) 1500 \(\text{m/s}\)
Amplitude de la pression acoustique \(P_A\) \(10^5\) \(\text{Pa}\)
Rayon de la cible circulaire \(a\) 1 \(\text{cm}\)
Onde plane incidente sur une cible réfléchissante
Onde Plane (I) Cible (rayon a) (réfléchissante) Frad

Questions à traiter

  1. Calculer l'impédance acoustiqueCaractéristique du milieu, représentant la résistance au passage de l'onde acoustique. Z = ρc. Unité : Pa.s/m ou Rayl. caractéristique \(Z_0\) de l'eau.
  2. Calculer l'intensité acoustiquePuissance acoustique par unité de surface. Mesure le flux d'énergie de l'onde. Unité : W/m². \(I\) de l'onde plane incidente.
  3. Calculer la pression de radiationPression moyenne exercée par une onde acoustique sur une surface. \(P_{\text{rad}}\) exercée par l'onde sur la cible parfaitement réfléchissante.
  4. Calculer la Force de Rayonnement AcoustiqueForce moyenne exercée par une onde acoustique sur un objet placé dans son champ. \(\langle F_{\text{rad}} \rangle\) moyenne subie par la cible.

Les bases sur la Force de Rayonnement Acoustique

Pour résoudre cet exercice, il est essentiel de maîtriser quelques concepts fondamentaux de l'acoustique.

1. Impédance Acoustique Caractéristique (\(Z_0\))
L'impédance acoustique d'un milieu fluide est le rapport entre la pression acoustique \(p\) et la vitesse particulaire \(u\) pour une onde plane progressive. Elle caractérise la résistance du milieu à la propagation de l'onde. \[ Z_0 = \frac{p}{u} = \rho_0 c_0 \] où \(\rho_0\) est la masse volumique du fluide et \(c_0\) est la célérité du son dans ce fluide. Son unité est le Rayl (\(\text{Pa·s/m}\)).

2. Intensité Acoustique (\(I\))
L'intensité acoustique représente la puissance acoustique transportée par l'onde par unité de surface, perpendiculairement à la direction de propagation. Pour une onde plane harmonique d'amplitude de pression \(P_A\), l'intensité moyenne \(\langle I \rangle\) (souvent notée simplement \(I\)) est donnée par : \[ I = \frac{P_A^2}{2 Z_0} = \frac{P_{\text{eff}}^2}{Z_0} \] où \(P_{\text{eff}} = P_A / \sqrt{2}\) est la pression efficace. L'unité est le \(\text{W/m²}\).

3. Pression de Radiation Acoustique (\(P_{\text{rad}}\))
Lorsqu'une onde acoustique interagit avec une surface, elle exerce une pression moyenne non nulle appelée pression de radiation. Pour une onde plane d'intensité \(I\) incidente normalement sur une surface :

  • Surface parfaitement absorbante : \(P_{\text{rad}} = \frac{I}{c_0}\)
  • Surface perfectly réfléchissante : \(P_{\text{rad}} = \frac{2I}{c_0}\)
Cette pression est liée à la densité d'énergie moyenne \(\langle E \rangle = I/c_0\) de l'onde.

4. Force de Rayonnement Acoustique (\(\langle F_{\text{rad}} \rangle\))
La force de rayonnement est la résultante de la pression de radiation sur la surface de l'objet. Pour une onde plane d'intensité \(I\) incidente normalement sur une surface plane \(S\) parfaitement réfléchissante : \[ \langle F_{\text{rad}} \rangle = P_{\text{rad}} \times S = \frac{2I}{c_0} S \] Cette force est dirigée dans le sens de propagation de l'onde incidente.


Correction : Calcul de la Force de Rayonnement Acoustique

Question 1 : Calculer l'impédance acoustique caractéristique \(Z_0\) de l'eau.

Principe

L'impédance acoustique \(Z_0\) dépend uniquement des propriétés intrinsèques du milieu : sa masse volumique \(\rho_0\) et la vitesse du son \(c_0\) en son sein. Elle représente la résistance du milieu à la mise en mouvement par l'onde acoustique.

Mini-Cours

L'impédance acoustique est analogue à l'impédance électrique en électricité (rapport tension/courant). Ici, c'est le rapport pression/vitesse particulaire. Une impédance élevée signifie qu'il faut une grande pression pour induire une petite vitesse particulaire (milieu "rigide" à la compression acoustique), tandis qu'une faible impédance signifie qu'une faible pression peut induire une grande vitesse (milieu "souple").

Remarque Pédagogique

Pour calculer l'impédance, assurez-vous simplement d'avoir la masse volumique et la vitesse du son dans le milieu considéré. C'est un calcul direct qui sert souvent de base pour d'autres calculs en acoustique, comme l'intensité ou les coefficients de réflexion/transmission.

Normes

Ce calcul relève des principes fondamentaux de l'acoustique linéaire dans les fluides. Les définitions et formules utilisées sont standard et se retrouvent dans tous les ouvrages de référence en acoustique (ex: ISO standards sur l'acoustique, manuels universitaires). Aucune norme spécifique n'est requise pour ce calcul de base.

Formule(s)

Formule de l'impédance acoustique caractéristique

\[ Z_0 = \rho_0 c_0 \]
Hypothèses

Le calcul suppose que l'eau est un fluide homogène, isotrope et au repos.

Donnée(s)

Nous utilisons les valeurs fournies pour l'eau :

ParamètreSymboleValeurUnité
Masse volumique de l'eau\(\rho_0\)1000\(\text{kg/m³}\)
Vitesse du son dans l'eau\(c_0\)1500\(\text{m/s}\)
Astuces

Retenez l'ordre de grandeur de \(Z_0\) pour l'eau (\(\approx 1.5 \times 10^6\) Rayl) et pour l'air (\(\approx 400\) Rayl). La grande différence explique pourquoi le son se réfléchit fortement à l'interface air/eau.

Schéma (Avant les calculs)
Milieu : Eau
Eau (ρ0, c0)
Calcul(s)

Application numérique

\[ \begin{aligned} Z_0 &= 1000 \, (\text{kg/m³}) \times 1500 \, (\text{m/s}) \\ &= 1\,500\,000 \, \text{kg/(m²·s)} \\ &= 1.5 \times 10^6 \, \text{Pa·s/m} \end{aligned} \]

L'unité \(\text{Pa·s/m}\) est aussi appelée Rayl.

Schéma (Après les calculs)
Milieu : Eau (Impédance Calculée)
Eau (Z0 ≈ 1.5 x 10⁶ Rayl)
Réflexions

La valeur obtenue (\(1.5 \times 10^6\) Rayl) est typique pour l'eau. C'est une valeur beaucoup plus élevée que celle de l'air, indiquant que l'eau est acoustiquement beaucoup plus "rigide".

Points de vigilance

Assurez-vous d'utiliser les unités du Système International (\(\text{kg/m³}\), \(\text{m/s}\)) pour obtenir le résultat en \(\text{Pa·s/m}\) (Rayl).

Points à retenir
  • L'impédance acoustique \(Z_0\) caractérise le milieu.
  • \(Z_0 = \rho_0 c_0\).
  • Unité : Rayl (\(\text{Pa·s/m}\)).
Le saviez-vous ?

Le Rayl est nommé en l'honneur de Lord Rayleigh (John William Strutt), physicien britannique lauréat du prix Nobel, auteur de l'ouvrage fondamental "The Theory of Sound".

FAQ

Pas de FAQ spécifique pour ce calcul simple.

Résultat Final
L'impédance acoustique caractéristique de l'eau est \(Z_0 = 1.5 \times 10^6 \, \text{Rayl}\) (ou \(\text{Pa·s/m}\)).
A vous de jouer

Quelle serait l'impédance acoustique de l'air si \(\rho_{\text{air}} \approx 1.2 \, \text{kg/m³}\) et \(c_{\text{air}} \approx 340 \, \text{m/s}\) ?

Question 2 : Calculer l'intensité acoustique \(I\) de l'onde plane incidente.

Principe

L'intensité acoustique mesure le flux d'énergie de l'onde par unité de surface. Elle dépend du carré de l'amplitude de pression et inversement de l'impédance du milieu, traduisant que plus le milieu est "rigide" (impédance élevée), moins l'énergie se propage facilement pour une pression donnée.

Mini-Cours

L'intensité acoustique instantanée est \(I(t) = p(t)u(t)\). Pour une onde harmonique \(p(t)=P_A \cos(\omega t - kx)\) et \(u(t)=p(t)/Z_0 = (P_A/Z_0) \cos(\omega t - kx)\). L'intensité instantanée est \(I(t) = \frac{P_A^2}{Z_0} \cos^2(\omega t - kx)\). La valeur moyenne temporelle \(\langle I \rangle\), que l'on note souvent \(I\), est obtenue en moyennant sur une période, or \(\langle \cos^2(\theta) \rangle = 1/2\). D'où \(I = \frac{P_A^2}{2 Z_0}\).

Remarque Pédagogique

N'oubliez pas le facteur 1/2 dans la formule de l'intensité moyenne \(I = P_A^2 / (2 Z_0)\) si vous partez de l'amplitude de pression \(P_A\). Si vous utilisez la pression efficace \(P_{\text{eff}} = P_A/\sqrt{2}\), alors \(I = P_{\text{eff}}^2 / Z_0\). Attention à bien identifier quelle pression est donnée (amplitude ou efficace).

Normes

La définition de l'intensité acoustique et sa relation avec la pression et l'impédance sont des fondamentaux établis. Des normes comme ISO 9614 décrivent les méthodes de mesure de l'intensité acoustique, mais ne sont pas nécessaires pour ce calcul théorique.

Formule(s)

Formule de l'intensité acoustique moyenne

\[ I = \frac{P_A^2}{2 Z_0} \]
Hypothèses

On suppose une onde plane progressive harmonique se propageant dans un milieu fluide non visqueux.

Donnée(s)

Nous utilisons l'amplitude de pression donnée et l'impédance calculée à la question précédente.

ParamètreSymboleValeurUnité
Amplitude de pression\(P_A\)\(10^5\)\(\text{Pa}\)
Impédance acoustique\(Z_0\)\(1.5 \times 10^6\)\(\text{Pa·s/m}\)
Astuces

L'intensité est souvent exprimée en décibels (dB). Le niveau d'intensité \(L_I\) est \(L_I = 10 \log_{10}(I/I_{\text{ref}})\) avec \(I_{\text{ref}} = 10^{-12} \, \text{W/m²}\). Calculez le niveau correspondant à l'intensité trouvée pour vous familiariser avec les ordres de grandeur.

Schéma (Avant les calculs)

Représentation de l'onde plane avec son intensité \(I\).

Onde Plane Incidente
I
Calcul(s)

Application numérique

\[ \begin{aligned} I &= \frac{(10^5 \, \text{Pa})^2}{2 \times (1.5 \times 10^6 \, \text{Pa·s/m})} \\ &= \frac{10^{10} \, \text{Pa}^2}{3 \times 10^6 \, \text{Pa·s/m}} \\ &= \frac{1}{3} \times 10^4 \, \frac{\text{Pa·m}}{\text{s}} \\ &\approx 3333.3 \, \text{W/m²} \end{aligned} \]

Vérification des unités : \(\text{Pa}^2 / (\text{Pa} \cdot \text{s} / \text{m}) = \text{Pa} \cdot \text{m} / \text{s} = (\text{N/m}^2) \cdot \text{m} / \text{s} = \text{N} / (\text{m} \cdot \text{s})\). Et \(\text{W} / \text{m}^2 = (\text{N} \cdot \text{m} / \text{s}) / \text{m}^2 = \text{N} / (\text{m} \cdot \text{s})\). Les unités sont bien cohérentes.

Schéma (Après les calculs)

Le schéma reste le même, mais on connaît maintenant la valeur de \(I\).

Onde Plane Incidente (Intensité Calculée)
I ≈ 3333 W/m²
Réflexions

Une intensité de \(\approx 3333 \, \text{W/m²}\) est une valeur relativement élevée en acoustique sous-marine, correspondant à une pression acoustique importante (\(10^5 \, \text{Pa} \approx 1\) atmosphère).

Points de vigilance
  • Ne pas oublier le facteur 2 au dénominateur si l'on utilise l'amplitude de pression \(P_A\).
  • Vérifier la cohérence des unités tout au long du calcul.
Points à retenir
  • L'intensité \(I\) représente le flux de puissance acoustique par unité de surface (\(\text{W/m²}\)).
  • \(I = P_A^2 / (2 Z_0)\).
  • L'intensité est proportionnelle au carré de la pression.
Le saviez-vous ?

Le seuil d'audition humaine correspond à une intensité de \(10^{-12} \, \text{W/m²}\) (0 dB). Le seuil de douleur est autour de \(1 \, \text{W/m²}\) (120 dB). L'intensité calculée ici (\(3333 \, \text{W/m²}\)) est donc extrêmement élevée, bien au-delà des niveaux sonores aériens courants, mais possible dans des applications ultrasonores focalisées ou en acoustique sous-marine.

FAQ

Pas de FAQ spécifique pour ce calcul.

Résultat Final
L'intensité acoustique moyenne de l'onde incidente est \(I \approx 3333.3 \, \text{W/m²}\).
A vous de jouer

Si l'amplitude de pression était doublée (\(P_A = 2 \times 10^5 \, \text{Pa}\)), quelle serait la nouvelle intensité ? (Attention à la dépendance quadratique !)

Question 3 : Calculer la pression de radiation \(P_{\text{rad}}\) exercée par l'onde sur la cible parfaitement réfléchissante.

Principe

La pression de radiation est la pression statique moyenne exercée par l'onde sur l'obstacle. Elle résulte du transfert de quantité de mouvement. Pour une réflexion totale, la variation de quantité de mouvement de l'onde est double par rapport à une absorption totale, résultant en une pression de radiation double.

Mini-Cours

La quantité de mouvement transportée par une onde acoustique est liée à son flux d'énergie (intensité). La pression de radiation peut être vue comme la force par unité de surface résultant de la variation de ce flux de quantité de mouvement lors de l'interaction avec l'obstacle. Elle est proportionnelle à la densité d'énergie moyenne de l'onde \(\langle E \rangle = I/c_0\). Pour une réflexion parfaite, la variation de densité d'énergie (et donc de quantité de mouvement) au niveau de l'interface conduit à \(P_{\text{rad}} = 2 \langle E \rangle = 2I/c_0\).

Remarque Pédagogique

Identifiez bien la nature de l'interaction (absorption ou réflexion) pour choisir le bon facteur (1 ou 2) dans la formule \(P_{\text{rad}} = (\text{facteur}) \times I/c_0\). Ici, la cible est "parfaitement réfléchissante", donc le facteur est 2.

Normes

Les formules de pression de radiation pour absorption et réflexion parfaite sont des résultats classiques de la théorie acoustique non linéaire (effets du second ordre).

Formule(s)

Formule de la pression de radiation (réflexion parfaite)

\[ P_{\text{rad}} = \frac{2I}{c_0} \]
Hypothèses

On suppose une incidence normale de l'onde plane sur une surface parfaitement réfléchissante plane et immobile.

Donnée(s)

Nous utilisons l'intensité calculée à la question 2 et la vitesse du son dans l'eau.

ParamètreSymboleValeurUnité
Intensité acoustique\(I\)\(\approx 3333.3\)\(\text{W/m²}\)
Vitesse du son dans l'eau\(c_0\)1500\(\text{m/s}\)
Astuces

La pression de radiation est généralement très faible par rapport à la pression acoustique elle-même. Si vous obtenez une valeur du même ordre de grandeur ou supérieure, vérifiez vos calculs et vos unités.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma montre l'onde (avec son intensité \(I\)) incidant sur la cible réfléchissante, ce qui va générer une pression de radiation \(P_{\text{rad}}\).

Interaction Onde/Cible
I Prad
Calcul(s)

Application numérique

\[ \begin{aligned} P_{\text{rad}} &= \frac{2 \times 3333.3 \, (\text{W/m²})}{1500 \, (\text{m/s})} \\ &= \frac{6666.6}{1500} \, \text{Pa} \\ &\approx 4.44 \, \text{Pa} \end{aligned} \]

Vérification des unités : \(\text{W} / (\text{m}^2 \cdot \text{m/s}) = (\text{N} \cdot \text{m} / \text{s}) / (\text{m}^3/\text{s}) = \text{N} \cdot \text{m} / \text{m}^3 = \text{N/m}^2 = \text{Pa}\). C'est correct.

Schéma (Après les calculs)

Le schéma reste le même, mais on connaît maintenant la valeur de \(P_{\text{rad}}\).

Interaction Onde/Cible (Pression Calculée)
I Prad ≈ 4.44 Pa
Réflexions

Notez que la pression de radiation (\( \approx 4.44 \, \text{Pa}\)) est beaucoup plus faible que l'amplitude de la pression acoustique (\(10^5 \, \text{Pa}\)). C'est un effet du second ordre (non linéaire), proportionnel à l'intensité (qui est elle-même quadratique en pression).

Points de vigilance
  • Utiliser le bon facteur (2 pour réflexion parfaite).
  • Ne pas confondre pression de radiation (pression statique moyenne) et pression acoustique (pression fluctuante).
Points à retenir
  • La pression de radiation est la pression moyenne exercée par l'onde.
  • \(P_{\text{rad}} = 2I/c_0\) pour une réflexion parfaite.
  • \(P_{\text{rad}} = I/c_0\) pour une absorption parfaite.
  • Unité : Pascal (\(\text{Pa}\)).
Le saviez-vous ?

La pression de radiation lumineuse, conceptuellement similaire, est le principe derrière les "voiles solaires" proposées pour la propulsion spatiale, utilisant la pression exercée par la lumière du soleil sur de grandes voiles réfléchissantes.

FAQ
Résultat Final
La pression de radiation exercée sur la cible est \(P_{\text{rad}} \approx 4.44 \, \text{Pa}\).
A vous de jouer

Quelle serait la pression de radiation si la cible était parfaitement absorbante au lieu d'être réfléchissante ?

Question 4 : Calculer la Force de Rayonnement Acoustique \(\langle F_{\text{rad}} \rangle\) moyenne subie par la cible.

Principe

La force de rayonnement est simplement la résultante des forces de pression exercées par la pression de radiation sur la surface de l'objet. Pour une pression uniforme \(P_{\text{rad}}\) sur une surface plane \(S\) d'incidence normale, la force est le produit \(P_{\text{rad}} \times S\).

Mini-Cours

La force, étant le produit d'une pression (proportionnelle à \(I\)) et d'une surface, est donc proportionnelle à l'intensité de l'onde et à l'aire de la section transversale de l'objet exposée à l'onde. \(\langle F_{\text{rad}} \rangle \propto I \times S\). C'est cette force qui est utilisée pour piéger ou déplacer des particules en lévitation ou manipulation acoustique.

Remarque Pédagogique

Le calcul de la force nécessite de connaître la surface sur laquelle s'applique la pression de radiation. Pour une cible circulaire de rayon \(a\) en incidence normale, cette surface est simplement l'aire du disque, \(S = \pi a^2\). Attention à bien utiliser le rayon en mètres.

Normes

Pas de norme spécifique, application directe de la définition Force = Pression × Surface.

Formule(s)

Formule de la surface du disque

\[ S = \pi a^2 \]

Formule de la force de rayonnement (réflexion parfaite)

\[ \langle F_{\text{rad}} \rangle = P_{\text{rad}} \times S = \frac{2I}{c_0} \pi a^2 \]
Hypothèses

On suppose que la pression de radiation \(P_{\text{rad}}\) est uniforme sur toute la surface \(S\) de la cible, ce qui est valable pour une onde plane incidente sur une surface plane.

Donnée(s)

Nous utilisons la pression de radiation de la question 3 et le rayon de la cible.

ParamètreSymboleValeurUnité
Pression de radiation\(P_{\text{rad}}\)\(\approx 4.44\)\(\text{Pa}\)
Rayon de la cible\(a\)1\(\text{cm}\)
Astuces

La force de rayonnement est souvent très faible. Exprimez-la en milliNewtons (mN) ou microNewtons (µN) pour obtenir des valeurs numériques plus parlantes.

Schéma (Avant les calculs)

Le schéma illustre la pression de radiation \(P_{\text{rad}}\) s'exerçant sur la surface \(S = \pi a^2\) de la cible, résultant en une force \(F_{\text{rad}}\).

Pression et Force sur la Cible
Prad Frad Surface S
Calcul(s)

Il faut d'abord convertir le rayon en mètres et calculer la surface, puis multiplier par la pression.

Étape 1 : Conversion du rayon

\[ a = 1 \, \text{cm} = 0.01 \, \text{m} \]

Étape 2 : Calcul de la surface

\[ \begin{aligned} S &= \pi a^2 \\ &= \pi \times (0.01 \, \text{m})^2 \\ &= \pi \times 10^{-4} \, \text{m}^2 \\ &\approx 3.1416 \times 10^{-4} \, \text{m}^2 \end{aligned} \]

Étape 3 : Calcul de la force

\[ \begin{aligned} \langle F_{\text{rad}} \rangle &= P_{\text{rad}} \times S \\ &\approx 4.44 \, (\text{Pa}) \times (3.1416 \times 10^{-4} \, \text{m}^2) \\ &\approx 13.95 \times 10^{-4} \, \text{N} \\ &\approx 1.40 \times 10^{-3} \, \text{N} \end{aligned} \]

La force est donc d'environ 1.4 milliNewtons.

Schéma (Après les calculs)

Le schéma illustre la force résultante \(\langle \vec{F}_{\text{rad}} \rangle\) calculée, appliquée au centre de la cible.

Visualisation de la Force de Rayonnement Calculée
Cible Frad ≈ 1.4 mN
Réflexions

La force obtenue (1.4 mN) est faible mais mesurable. Elle est suffisante pour manipuler de petites particules ou pour causer des effets biologiques si l'intensité est très élevée (ultrasons focalisés).

Points de vigilance

Attention aux unités ! Le rayon est donné en cm et doit être converti en mètres avant de calculer la surface \(S\). Une erreur fréquente est d'oublier le carré dans la conversion : \((1 \, \text{cm})^2 = (10^{-2} \, \text{m})^2 = 10^{-4} \, \text{m}^2\).

Points à retenir
  • La force de rayonnement \(\langle F_{\text{rad}} \rangle\) est la résultante de la pression de radiation \(P_{\text{rad}}\) sur la surface \(S\).
  • \(\langle F_{\text{rad}} \rangle = P_{\text{rad}} \times S\).
  • Pour une réflexion parfaite : \(\langle F_{\text{rad}} \rangle = (2I/c_0) \times S\).
  • Unité : Newton (\(\text{N}\)).
Le saviez-vous ?

Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel de physique 2018 pour l'invention des "pinces optiques", qui utilisent la force de rayonnement de la lumière laser focalisée pour piéger et manipuler des objets microscopiques, y compris des cellules vivantes. Le principe est similaire à la force de rayonnement acoustique.

FAQ
Résultat Final
La force de rayonnement acoustique moyenne subie par la cible est \(\langle F_{\text{rad}} \rangle \approx 1.40 \times 10^{-3} \, \text{N}\) (ou \(1.40 \, \text{mN}\)).
A vous de jouer

Si le rayon de la cible était doublé (\(a = 2 \, \text{cm}\)), quelle serait la nouvelle force de rayonnement (en mN) ? (Attention à la dépendance quadratique !)


Outil Interactif : Simulateur de Force de Rayonnement

Explorez comment la force de rayonnement sur la cible réfléchissante varie en fonction de l'intensité de l'onde incidente et du rayon de la cible.

Paramètres d'Entrée
3333 W/m²
1.0 cm
Résultats Clés
Pression de Radiation (\(P_{\text{rad}}\)) - Pa
Force de Rayonnement (\(F_{\text{rad}}\)) - mN

Quiz Final : Testez vos connaissances

1. Quelle est l'unité de l'impédance acoustique caractéristique ?

2. Si l'amplitude de pression \(P_A\) est doublée, comment varie l'intensité acoustique \(I\) ?

3. Pour une même intensité incidente \(I\), comment la pression de radiation sur une surface perfectly réfléchissante (\(P_{\text{rad, R}}\)) se compare-t-elle à celle sur une surface parfaitement absorbante (\(P_{\text{rad, A}}\)) ?

4. Si le rayon \(a\) de la cible circulaire est doublé, comment varie la force de rayonnement \(\langle F_{\text{rad}} \rangle\) ?

5. La force de rayonnement acoustique est un phénomène :


FAQ - Questions Fréquentes

Pourquoi la force est-elle différente pour une surface absorbante et réfléchissante ?

La force de rayonnement provient du transfert de quantité de mouvement de l'onde à l'objet. Une onde absorbée transfère sa quantité de mouvement incidente. Une onde réfléchie transfère sa quantité de mouvement incidente ET repart avec une quantité de mouvement opposée (pour une réflexion parfaite). Par conservation, l'objet reçoit donc le double du transfert de quantité de mouvement dans le cas réfléchissant par rapport au cas absorbant, d'où une force double.

Cette force est-elle toujours dirigée dans le sens de propagation ?

Pour une onde plane incidente sur une cible simple comme dans cet exercice, oui. Cependant, dans des champs acoustiques plus complexes (ondes stationnaires, faisceaux focalisés) ou pour des objets de forme complexe, la force de rayonnement peut avoir des composantes transverses (perpendiculaires à la propagation) voire être dirigée vers la source (force négative). Le calcul devient alors plus complexe (souvent basé sur le potentiel de Gorkov).

Quelles sont les applications de cette force ?

Elle est utilisée pour la lévitation acoustique (faire flotter de petits objets), la manipulation sans contact de cellules ou particules en microfluidique (acoustophorèse), la mesure de la puissance des transducteurs ultrasonores, et elle joue un rôle dans certains phénomènes biologiques (comme l'effet des ultrasons sur les tissus).


Glossaire

Force de Rayonnement Acoustique
Force moyenne exercée par une onde acoustique sur un objet placé dans son champ, résultant du transfert de quantité de mouvement.
Pression de Radiation
Pression statique moyenne exercée par une onde acoustique sur une interface. Unité : Pascal (Pa).
Intensité Acoustique (I)
Puissance acoustique transportée par l'onde par unité de surface perpendiculaire à la direction de propagation. Unité : Watt par mètre carré (W/m²).
Impédance Acoustique Caractéristique (Z₀)
Rapport entre la pression acoustique et la vitesse particulaire pour une onde plane progressive dans un milieu. Caractéristique du milieu (\(Z_0 = \rho_0 c_0\)). Unité : Rayl ou Pa·s/m.
Onde Plane Progressive Harmonique
Onde dont les fronts d'onde sont des plans infinis, qui se propage dans une direction sans déformation et dont la variation temporelle est sinusoïdale.
Exercice : Calcul de la Force de Rayonnement Acoustique

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Analyse de l’atténuation géométrique
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Interférence de Deux Sources Sonores
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Fréquence de Coupure d’un Guide d’Ondes
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Coefficients de Réflexion et de Transmission
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Sommation de Niveaux Sonores Incohérents
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Célérité du Son dans un Gaz Parfait
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Calcul de la Longueur d’Onde du Son
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Exercice : Calcul de la Longueur d’Onde du Son Calcul de la Longueur d’Onde du Son Contexte : L'Acoustique Fondamentale. En acoustique, la longueur d'ondeLa distance physique sur laquelle la forme de l'onde se répète. est une caractéristique essentielle d'un son. Elle...

Calcul de l’amortissement visco-thermique
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Analyse des vitesses de phase et de groupe
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Acoustique : Définition et distinction entre vitesse de phase et vitesse de groupe Définition et distinction entre vitesse de phase et vitesse de groupe Contexte : La Vitesse de l'Onde ou la Vitesse de l'Information ? Lorsqu'on observe une onde, on peut suivre deux...

Comparaison des modes de propagation
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Résolution de l’équation d’onde
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Exercice : Équation d'Onde en Acoustique Résolution de l’Équation d’Onde en Acoustique Contexte : L' équation d'ondeÉquation aux dérivées partielles qui décrit la propagation d'une onde, comme une onde sonore, lumineuse ou à la surface de l'eau. est le pilier de...

Étude d’un résonateur de Helmholtz
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Exercice : Résonateur de Helmholtz Étude d’un résonateur de Helmholtz Contexte : L'acoustique fondamentale et les résonateurs de HelmholtzDispositif acoustique composé d'une cavité rigide et d'un col, qui résonne à une fréquence spécifique. C'est l'équivalent...

Analyse de l’absorption atmosphérique du son
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Analyse de l’atténuation géométrique
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