Absorption

Coefficient d'absorption

Lorsque l'on étudie l'interaction entre les ondes et les milieux, il faut connaître le coefficient d'absorption.

Le coefficient d'absorption dépend du matériau et de la longueur d'onde. Les coefficients d'absorption élevés indiquent qu'un matériau absorbe plus facilement par rapport aux matériaux ayant des coefficients plus faibles.

Importance du coefficient pour les ondes lumineuses et sonores

Pour mieux comprendre l'importance de ce coefficient, prenons les exemples des panneaux solaires pour les ondes lumineuses et de l'insonorisation pour les ondes sonores. Les ingénieurs utilisent ce coefficient pour déterminer le matériau qui doit composer un panneau solaire. Les panneaux solaires fonctionnent grâce à deux couches d'un matériau semi-conducteur qui est généralement du silicium. La zone où ces couches se rencontrent est cruciale car c'est l'espace où le rayonnement solaire (la lumière du soleil) est absorbé et converti en électricité. De même, les ingénieurs utilisent ce coefficient pour déterminer quel matériau convient le mieux à un studio d'enregistrement. Les studios d'enregistrement utilisent l'insonorisation comme moyen de maximiser l'absorption des ondes sonores tout en minimisant leur réflexion. Les ondes sonores réfléchies créent des échos qui, à leur tour, perturbent la production de musique. Maintenant que nous avons parlé de l'absorption, discutons plus particulièrement de l'absorption des ondes sonores et lumineuses et de leurs processus correspondants.

Absorption des ondes sonores

Le son est un mot utilisé dans le langage courant. Cependant, la plupart des gens ne connaissent pas sa définition technique.

Le son se propage comme une onde mécanique longitudinale. Le terme longitudinal fait référence à l'onde qui se propage parallèlement à la direction des molécules, tandis que le terme mécanique fait référence au transport de l'énergie à travers le milieu en raison de la vibration des molécules. Les ondes sonores se propagent le plus rapidement dans les solides en raison de l'orientation serrée des molécules. Les molécules peuvent plus facilement entrer en collision les unes avec les autres, ce qui permet au son de se déplacer plus rapidement. Nos oreilles captent les ondes sonores dans le conduit auditif, où le son s'amplifie à mesure qu'il se déplace vers le tympan. Lorsqu'il atteint le tympan, il provoque des vibrations qui nous permettent d'entendre. Les oreilles humaines typiques peuvent détecter des sons dans la gamme de \(20,\Nmathrm{Hz}\N,\Ntext{à}\N20,\Nmathrm{kHz}. \N).

Pour qu'il y ait absorption, l'énergie est retirée de l'onde sonore lorsqu'elle est transférée de l'onde sonore au milieu.

L'absorption du son se produit lorsque le son traverse un milieu et est capturé par les molécules de ce milieu. L'énergie sonore est ensuite convertie en chaleur. Celase fait grâce au mouvement vibratoire des molécules du milieu. Lorsque le son passe, les molécules sont initialement au repos.Cependant, si le son est suffisamment fort pour vaincre la résistance au mouvement des molécules, celles-ci se mettent àvibrer.

Fig. 1 - Schéma illustrant l'absorption des ondes sonores.

Facteurs affectant l'absorption du son

Trois facteurs affectent l'absorption du son.

1. La densité du milieu : Lorsque la densité du milieu augmente, l'absorption des ondes sonores de basse fréquence augmente, tandis que l'absorption des ondes sonores de haute fréquence diminue.
2. L'épaisseur du support : L'augmentation de l'épaisseur du médium améliore l'absorption des ondes sonores à basse fréquence , mais n'a pas d'effet significatif sur les ondes sonores à haute fréquence.
3. Taille de la coulée : Les coulées plus petites augmentent l'absorption sonore, tandis que les coulées plus importantes la diminuent.

Il est à noter que les ondes sonores à haute fréquence désignent les ondes ayant plus d'oscillations et des fréquences de \( 2000,\rmathrm{Hz} \) et plus. Les ondes sonores à basse fréquence désignent les ondes ayant moins d'oscillations et des fréquences de \( 500,\mathrm{Hz} \) et moins.

Absorption des ondes lumineuses

Le mot lumière est un mot familier que nous utilisons souvent pour décrire toute la lumière. Cependant, le terme lumière ne fait référence qu'à la lumière visible qui est l'un des sept types de rayonnement électromagnétique du spectre.

Nos yeux prennent la lumière visible et la transforment en une impulsion électrique que notre cerveau interprète comme une image. Les yeux humains typiques peuvent voir les longueurs d'onde de la lumière dans la plage de \N400( 400,\Nmathrm{nm}), 700(\Nmathrm{nm}). \N Outre la lumière visible, les rayonnements électromagnétiques sont divisés dans les types suivants :

• Radio
• Micro-ondes
• Infrarouge
• Visible
• Ultraviolet
• Rayons X
• Rayons gamma

qui se déplacent tous à la vitesse de la lumière. Note que lorsque nous parlons de rayonnement, notre premier réflexe peut être d'associer ce mot à quelque chose de terrible. Cependant, dans ce contexte, les radiations font référence à quelque chose qui rayonne vers l'extérieur à partir d'un point central.

Pour que l'absorption de la lumière se produise, la fréquence d'une onde électromagnétique doit être très proche de la fréquence naturelle d'un objet.

Lorsque la lumière d'une certaine fréquence frappe un objet dont les électrons ont la même fréquence, les électrons absorbent l'énergie de l'onde lumineuse et la convertissent en mouvement vibratoire. Lorsque les électrons interagissent avec les atomes environnants, l'énergie vibratoire est convertie en énergie thermique. Une fois que cela se produit, l'onde lumineuse est absorbée par l'objet et ne sera plus jamais libérée sous forme de lumière.

Fig. 2. Schéma illustrant l'absorption des ondes lumineuses.

Spectre d'absorption de la lumière

Lorsque les atomes absorbent de l'énergie, un spectre de couleurs est produit. Ce spectre est généralement appelé ROYGBIV. La meilleure façon de comprendre ce phénomène est de penser à un prisme. Lorsque la lumière traverse le prisme, elle est séparée en différentes longueurs d'onde, ce qui produit un arc-en-ciel de couleurs.

Fig. 3 - Les atomes qui absorbent de l'énergie produisent un spectre de couleurs, comme on peut le voir lorsque la lumière frappe un prisme.

Maintenant, le spectre d'absorption se produit lorsque la lumière traverse un milieu et que les atomes sont absorbés à des fréquences caractéristiques de ce rayon lumineux particulier. En raison de la lumière réémise qui n'est pas émise dans la même direction que la lumière absorbée, des lignes sombres apparaissent sur le spectre des couleurs, indiquant l'absence de lumière.

Ondes lumineuses et ondes sonores

Comme nous avons discuté des deux types d'ondes respectifs, il est important de comprendre leurs similitudes et leurs différences. Les ondes lumineuses et sonores se ressemblent en ce sens qu'elles sont toutes deux des ondes. Cependant, leur ressemblance s'arrête là. Pour faire la distinction entre les deux, regarde le tableau ci-dessous.

Vitesse, fréquence et longueur d'onde

Pour calculer la vitesse, la fréquence ou la longueur d'onde d'une onde lumineuse ou sonore, on utilise l'équation suivante

\begin{align}\text{speed}&=(\text{frequency})(\text{wavelength}),\\\N-text{speed}&=f\lambda,\N-text{speed}&=f\lambda,\N-text{align}

peut être appliquée et réarrangée en fonction des trois variables. Notez que \( f \N) est mesuré en hertz noté \N( \Nmathrm{Hz}\N) et que la longueur d'onde est mesurée en mètres notée \N( \Nmathrm{m}. \N) Cependant, il est important de comprendre que \N( \Ntext{speed} \N) est une valeur fixe pour les ondes lumineuses et sonores qui se déplacent dans l'air. Les ondes lumineuses se déplacent à une vitesse de \( 3\times10^8\,\mathrm{\frac{m}{s}} \) et les ondes sonores se déplacent à une vitesse de \( 330,\mathrm{\frac{m}{s}}. \Nous pouvons donc utiliser cette équation pour calculer la fréquence et la longueur d'onde d'une onde donnée. Prenons un exemple rapide.

Exemples d'absorption d'ondes

Des exemples d'absorption des ondes nous entourent dans notre vie quotidienne, qu'il s'agisse de sentir la lumière du soleil sur notre peau à la plage ou de chanter à tue-tête dans l'intimité de notre maison. À la plage, nous observons l'absorption des vagues qui s'écrasent sur le sable. Lorsque les vagues se brisent sur le rivage, elles transportent leur énergie dans le sable. Cependant, nous faisons également l'expérience de l'absorption des vagues à la plage. Lorsque la lumière du soleil frappe notre peau, une partie de son énergie est absorbée par notre peau et nous commençons à "chauffer". Cela explique pourquoi nous nous sentons plus chauds au soleil qu'assis sous un parasol de plage. Lorsque nous chantons chez nous, nous produisons des ondes sonores. L'énergie des ondes sonores produites se propage à travers les différents matériaux de nos maisons, tels que les rideaux et les housses de canapé. Ces matériaux absorbent le son et, par conséquent, convertissent l'énergie sonore en chaleur. Cette conversion élimine les échos qui se produiraient autrement si le son était réfléchi et non absorbé.