Polytechnique Physique A PC 2012

CONCOURS D'ADMISSION 2012
filière PC

(Durée : 4 heures)

L'utilisation des calculatrices n'est pas autorisée pour cette épreuve.
On se contentera, pour les applications numériques, d'un seul chiffre significatif.

Ce problème étudie les propriétés acoustiques d'une bulle d'air au sein d'un volume d'eau. Il aborde successivement les oscillations libres de la bulle, puis les oscillations forcées. On modélise ensuite l'amortissement de ces oscillations. Les résultats théoriques sont finalement comparés avec des données expérimentales.

On considère une bulle d'air plongée dans un grand volume d'eau. Dans tout le problème, on néglige l'effet de la gravité et on considère l'air comme un gaz parfait.

A l'équilibre, la bulle est sphérique, de rayon , et la pression est partout égale à . On étudie les oscillations radiales de la bulle autour de sa forme d'équilibre. On suppose que ces oscillations conservent la symétrie sphérique. On note le rayon de la bulle à l'instant , avec . Le champ de pression est (avec , désignant la distance au centre de la bulle.

Dans cette partie, on assimile l'eau à un fluide incompressible et sans viscosité.
I. 1 On suppose dans tout le problème que la pression de l'air à l'intérieur de la bulle reste homogène à tout instant, et que ses transformations sont adiabatiques et réversibles. On note
la valeur de pour . Exprimer la relation entre la pression et le volume de la bulle, puis la relation entre et . Linéariser cette relation et en déduire la relation de proportionnalité entre et .
I. 2 La pression extérieure est égale à . Lors d'une variation du volume de la bulle d'air, montrer que le travail des forces de pression s'exerçant sur le volume d'eau entourant la bulle est .
I. 3 En déduire que les forces de pression s'exerçant sur l'eau dérivent d'une énergie potentielle qu'on écrira sous la forme

où est une constante qu'on exprimera en fonction de et .
I. 4 On va maintenant calculer l'énergie cinétique de l'eau. Le champ de vitesse de l'eau est supposé radial à tout instant, et la vitesse radiale est notée . Montrer que est indépendant de . En déduire l'expression de en fonction de et .
I. 5 Calculer l'énergie cinétique de l'eau et mettre le résultat sous la forme , où est une constante qu'on exprimera en fonction de et .
I. 6 Écrire l'équation d'évolution de . Montrer que le rayon de la bulle oscille à la pulsation , où est une constante dont on précisera l'expression en fonction de et .
I. 7 Récrire la relation de proportionnalité entre et , déterminée à la question I.1, en fonction de et .
I. 8 Application numérique : calculer , et comparer cette valeur à la vitesse du son dans l'air. Justifier l'approximation, faite à la question I.1, que la pression est homogène à l'intérieur de la bulle. Quel est l'ordre de grandeur de la fréquence de l'oscillation pour une bulle millimétrique? Comment se compare-t-il aux fréquences sonores perçues par l'ouïe?

On se propose maintenant de retrouver l'expression de la pulsation d'oscillation par une méthode différente, grâce à l'équation dynamique locale. Ceci permettra de traiter les oscillations forcées de la bulle sous l'effet d'une surpression appliquée à grande distance de la bulle. On traite dans toute cette partie la surpression locale et la vitesse radiale dans l'eau comme des quantités infinitésimales. est la limite de lorsque tend vers l'infini. Comme dans la partie , on assimile l'eau à un fluide incompressible et sans viscosité.
II. 1 Dans ces conditions, montrer qu'on peut écrire en tout point de l'eau

II. 2 En utilisant le résultat de la question I.4, en déduire l'expression de en fonction de et .
II. 3 Quelle est, en utilisant le résultat précédent, l'expression de à la surface de la bulle ? En comparant avec le résultat de la question I.7, en déduire l'équation d'évolution de , et vérifier qu'on retrouve le résultat de la question I. 6 lorsque .
II. 4 On impose une surpression extérieure sinusoïdale , avec , au moyen d'un haut-parleur. En régime sinusoïdal forcé, exprimer l'amplitude et la phase des oscillations de la bulle en fonction de et .
II. 5 Pour étudier les oscillations de la bulle, on place un petit microphone dans l'eau, à une distance du centre de la bulle, qui enregistre la surpression locale . Donner l'expression de .
II. 6 En régime sinusoïdal forcé, en déduire le module de l'amplitude de , noté , en fonction de et .
II. 7 On suppose, dans cette question seulement, que . Tracer soigneusement en fonction de .
II. 8 En pratique, on retient la bulle au moyen d'un petit filet de tulle. Quel effet physique, négligé dans ce problème, oblige à utiliser cet artifice ?

On prend dorénavant en compte la compressibilité de l'eau, négligée jusqu'ici. Cette partie étudie l'effet des vibrations des ondes sonores sur les oscillations libres de la bulle.
III. 1 On écrit la masse volumique de l'eau en un point quelconque, repéré par le vecteur position , sous la forme , avec . On note la vitesse du fluide et la surpression. On rappelle que , où est la vitesse du son dans l'eau. Établir l'équation de d'Alembert pour la surpression dans l'eau.
III. 2 Comme dans la partie I, on étudie les oscillations radiales de la bulle, qui conservent la symétrie sphérique. On donne l'expression du laplacien en coordonnées sphériques

Vérifier que la forme suivante est solution de l'équation de d'Alembert :

On admettra que c'est la solution générale.
III. 3 Justifier qu'on choisisse, pour ce problème, de poser pour tout .
III. 4 Montrer que

III. 5 Exprimer le membre de droite de l'équation (5) en fonction de et .
III. 6 Exprimer en fonction de la surpression à l'intérieur de la bulle et de , puis en fonction de et en appliquant le résultat de la question I.7.
III. 7 Déduire des trois questions précédentes que l'équation d'évolution de se met sous la forme

Donner l'expression de en fonction de et de la quantité introduite à la question I.6.
Application numérique : calculer .
III. 8 Montrer que dans la limite où l'eau est incompressible, l'équation (6) coïncide avec celle obtenue à la question I.6.
III. 9 Quelle est la cause physique du terme d'amortissement de l'équation (6) ?

Comme dans la partie II, on impose une surpression au moyen d'un haut-parleur. Pour tenir compte de la propagation des ondes sonores dans l'eau, introduite dans la partie III, on écrit maintenant cette surpression sous forme d'une onde plane , avec .
IV. 1 Déterminer la relation entre et .
IV. 2 En présence de la bulle de rayon , dont le centre est choisi à l'origine, on écrit la surpression totale sous la forme

avec . Expliquer pourquoi ainsi défini est solution de l'équation de d'Alembert.
IV. 3 On suppose que , de telle sorte qu'on puisse faire l'approximation au voisinage de la bulle. Vérifier que les résultats des questions III. 4 et III. 5 sont inchangés. Comment le haut-parleur modifie-t-il la relation obtenue à la question III.6 ? En utilisant le résultat de la question I.7, montrer qu'on obtient un système de deux équations différentielles pour et . Dans ces équations, on exprimera en fonction de et en utilisant le résultat de la question III.7.
IV. 4 Résoudre ce système dans le régime sinusoïdal forcé, et déterminer les amplitudes complexes de et de en fonction de et .
IV. 5 Comme dans la partie II, on mesure la surpression dans l'eau grâce à un petit microphone placé dans l'eau à une distance du centre de la bulle, avec . Exprimer l'amplitude
complexe de la surpression enregistrée par le microphone. Vérifier qu'on retrouve le résultat de la question II. 6 dans la limite où l'eau est incompressible.

IV. 6 Estimer à partir des courbes expérimentales de la figure 1 les valeurs de et .
IV. 7 En déduire une estimation de la taille de la bulle utilisée pour cette expérience. Est-il légitime de considérer qu'à la surface de la bulle, la surpression imposée par le haut-parleur est uniforme?
IV. 8 Comparer la valeur expérimentale de avec la valeur prédite par la modélisation de la question III.7.Commenter.
IV. 9 On a supposé dans tout ce problème que les oscillations de la bulle étaient adiabatiques et réversibles. Nommer un effet physique mettant en défaut cette hypothèse. Quelle est la conséquence de cet effet sur la dynamique des oscillations?
IV. 10 Le système décrit dans ce problème est un analogue acoustique de la diffusion d'une onde plane électromagnétique par un dipôle dans le cadre du modèle de l'électron élastiquement lié. Expliciter les points communs et les différences.