Signaux et capteurs : Décoder l'information du monde physique
Bienvenue dans ce cours dédié aux signaux et capteurs, un chapitre clé de physique-chimie au Bac. Notre monde est rempli d'informations : la température, la pression, la lumière, le son... Pour les mesurer, les analyser ou les transmettre, nous devons les convertir en une forme utilisable. C'est le rôle des signaux et des capteurs. Que ce soit dans votre smartphone, votre voiture ou un appareil médical, ces concepts sont partout. Dans ce cours, nous allons comprendre ce qu'est un signal, comment un capteur le génère à partir d'une grandeur physique, et nous nous intéresserons particulièrement à une famille de signaux essentielle : les ondes.
1. Des grandeurs physiques aux signaux mesurables
Pour étudier un phénomène, il faut d'abord le mesurer. C'est la première étape de toute démarche scientifique ou technologique.
1.1. Grandeur physique et mesurande
Une grandeur physique est une propriété d'un objet ou d'un phénomène qui peut être quantifiée par une mesure. Exemples : la longueur, la masse, la température, l'intensité lumineuse, la pression, la concentration d'une espèce chimique. Le mesurande est la grandeur physique particulière que l'on souhaite mesurer.
Problème : comment "attraper" cette information pour l'étudier sur un écran ou la traiter par un ordinateur ? Il faut la transformer.
1.2. Le rôle fondamental du capteur
Un capteur (ou transducteur) est un dispositif qui convertit une grandeur physique (le mesurande) en une autre grandeur, généralement un signal électrique facile à mesurer, traiter ou transmettre.
Principe de base : Mesurande (entrée) → Capteur → Signal électrique (sortie).
Exemples concrets :
- Thermomètre électronique (capteur de température) : Utilise souvent une thermistance. Sa résistance électrique varie avec la température. Une variation de température (mesurande) provoque une variation de résistance, donc une variation de tension (signal électrique).
- Photorésistance (capteur de lumière) : Sa résistance électrique diminue quand l'intensité lumineuse (mesurande) qui l'éclaire augmente.
- Cellule piézoélectrique (capteur de pression ou de force) : Génère une tension électrique lorsqu'elle est déformée par une pression (mesurande). On la trouve dans les microphones ou les balances électroniques.
La caractéristique essentielle d'un capteur est sa sensibilité, notée souvent s. Pour un capteur délivrant une tension U en fonction d'une grandeur d'entrée G, la sensibilité est : s = ΔU / ΔG (en V/°C, V/lux, etc.). Plus la sensibilité est élevée, plus le signal de sortie varie pour une petite variation du mesurande.
2. Les différents types de signaux
Le signal produit par le capteur porte l'information. Il existe deux grandes catégories.
2.1. Signaux analogiques et numériques
Signal analogique : Il varie de manière continue dans le temps et peut prendre une infinité de valeurs. C'est le cas d'une tension proportionnelle à la température ambiante qui évolue en permanence.
Signal numérique : Il n'existe que sous forme de valeurs discrètes, généralement deux (0 et 1, niveau BAS et niveau HAUT). Il est échantillonné dans le temps. L'information est codée sous forme binaire. La plupart des systèmes modernes (ordinateurs, smartphones) traitent des signaux numériques.
Conversion : Un Convertisseur Analogique-Numérique (CAN) transforme un signal analogique (ex: tension du capteur) en une suite de nombres binaires pour traitement informatique. Un Convertisseur Numérique-Analogique (CNA) fait l'opération inverse.
2.2. Signaux périodiques et leur description
Un signal est périodique s'il se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers. C'est le cas d'une tension alternative délivrée par une prise électrique, ou du son d'une note de musique.
Pour décrire un signal périodique, on utilise :
- La période (T) : Durée au bout de laquelle le signal se répète. Unité : seconde (s).
- La fréquence (f) : Nombre de périodes par seconde. f = 1 / T. Unité : le hertz (Hz).
- L'amplitude : Valeur maximale du signal par rapport à sa valeur moyenne. Elle porte l'information sur l'"intensité" du phénomène (volume du son, puissance du courant...).
Exemple : Le courant du secteur en Europe a une fréquence f = 50 Hz. Sa période est donc T = 1/50 = 0,02 s = 20 ms. Il alterne 50 fois par seconde.
3. Les ondes : des signaux qui se propagent
Une onde est une perturbation qui se propage dans un milieu (ou le vide pour la lumière) sans transport de matière, mais avec transport d'énergie.
3.1. Ondes mécaniques et ondes électromagnétiques
Ondes mécaniques : Elles nécessitent un milieu matériel pour se propager (solide, liquide, gaz). La perturbation est une déformation du milieu.
Exemples :
- Onde sur une corde : On crée une déformation, elle se propage le long de la corde.
- Son : C'est une onde de compression/dilatation qui se propage dans l'air (ou d'autres milieux). Le son ne se propage pas dans le vide.
- Ondes sismiques : Elles se propagent dans les couches terrestres.
Ondes électromagnétiques : Elles peuvent se propager dans le vide. Elles sont constituées de champs électrique et magnétique oscillants qui se génèrent mutuellement.
Exemples (par ordre de fréquence croissante) : ondes radio, micro-ondes, infrarouge, lumière visible, ultraviolet, rayons X, rayons gamma. La lumière visible n'est qu'une petite partie du spectre électromagnétique !
3.2. Caractéristiques d'une onde : Célérité, longueur d'onde
Outre la période et la fréquence, deux grandeurs sont essentielles pour décrire une onde :
- Célérité (v) : Vitesse de propagation de l'onde dans un milieu donné. Elle dépend du milieu et du type d'onde. Unité : m/s.
- Son dans l'air à 20°C : v ≈ 340 m/s
- Lumière dans le vide/espace : c ≈ 3,00 x 10⁸ m/s (célérité maximale dans l'univers)
- Longueur d'onde (λ) : Distance parcourue par l'onde pendant une période T. C'est la distance entre deux crêtes successives (par exemple). Elle se calcule par la relation fondamentale : λ = v × T = v / f.
Exemple concret : Une station radio émet sur la fréquence f = 102,3 MHz = 102,3 × 10⁶ Hz. La célérité des ondes radio est v ≈ c = 3,00 × 10⁸ m/s. La longueur d'onde est λ = v / f = (3,00 × 10⁸) / (102,3 × 10⁶) ≈ 2,93 m. C'est la "taille" de l'onde radio.
3.3. Le son : une onde mécanique particulière
Le son est l'exemple d'onde mécanique le plus courant. Il est produit par la vibration d'un objet et perçu par notre oreille.
- Hauteur du son : Elle est liée à sa fréquence f. Un son aigu a une fréquence élevée (ex: 2000 Hz), un son grave a une fréquence basse (ex: 100 Hz). L'oreille humaine perçoit les sons entre 20 Hz et 20 000 Hz environ.
- Intensité sonore (volume) : Elle est liée à l'amplitude de l'onde. Plus l'amplitude est grande, plus le son est fort. Elle se mesure en décibels (dB).
- Timbre : Il permet de distinguer deux instruments jouant la même note. Il est lié à la forme de l'onde (son pur, son complexe).
Conclusion pratique et récapitulatif
Dans ce ch
