Principe des ultrasons et effet Doppler

Principe des ultrasons et effet Doppler

L’effet Doppler ou l’effet Doppler Fizeau désigne le décalage de fréquence d’onde observé entre les mesures à l’émission et à la réception lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. De façon générale nous désignons ce phénomène physique sous le nom effet Doppler. Le terme effet Doppler Fizeau est réservé aux ondes électromagnétiques. L’effet Doppler se manifeste par exemple pour mesurer les ondes sonores dans la réception du volume du son d’un moteur de voiture ou de la sirène des véhicules d’urgences. Dans ce projet deux objectifs ont été visés :
– Le premier est de regrouper suffisamment d’information sur une grande catégorie de carte d’interfaçage Arduino : son langage de programmation, sa configuration, son principe de fonctionnement.
– Le deuxième consiste à réaliser une carte électrique capable de mesurer la vitesse d’un mobile en exploitant l’effet Doppler en mode continue. La mise en œuvre de ce travail, constitué de trois chapitres, est présentée comme suit : Le premier chapitre est consacré à quelques rappels et généralités sur les ultrasons et à l’étude de l’effet Doppler phénomène qui a révolutionné le monde scientifique par sa simplicité et son utilité dans le domaine des ondes électromagnétiques (ondes ultra sonores, lumière,…). Le deuxième chapitre est réservé à une étude approfondie sur les cartes d’interface tel que l’Arduino puis nous mettrons la lumière sur un modèle de base qui est Arduino Uno, sa construction, son environnement de programmation et son principe de fonctionnement afin de simplifier son utilisation. Le troisième chapitre est élaboré pour l’étude et la réalisation pratique de notre produit qui permet de mesurer la vitesse d’un mobile par effet Doppler en mode continue ainsi que la description de chaque bloc de notre circuit. Enfin, nous terminerons avec une conclusion générale qui résumera l’intérêt de notre étude .

Principe des ultrasons et effet Doppler

La mesure de vitesse par l’effet Doppler ultrasonore est devenue essentielle pour la sécurité routière et dans l’industrie. C’est pour cela dans ce chapitre nous décrirons le principe des ultrasonores et de l’effet doppler ainsi que l’explication de ses modes d’exploitation et nous terminerons par ses diverses applications.

Le principe des ultrasons

Les ultrasons sont des vibrations mécaniques de fréquence supérieure à 20 kHz, qui se propagent dans des milieux physiques comme l’air ou l’eau.

Les ultrasons sont des ondes acoustiques dont l’oreille humaine ne peut pas le détecter par contre pour certains animaux comme les chauves-souris, les dauphins ou les baleines elles sont audibles.

Les ondes ultrasonores sont des ondes de pression, elles induisent une vibration successive de compression et de raréfaction des particules du milieu élastique qu’elles traversent (il peut être solide, liquide ou gazeux et non pas dans le vide) qui se transmet de proche en proche comme s’ils étaient liés par des ressorts.

Le capteur ultrasonique (effet piézoélectrique)

Afin de générer des ultrasons, les transducteurs utilisent généralement l’effet piézoélectrique pour convertir l’énergie électrique en un déplacement mécanique. Après Pierre et M. Curie, Paul Langevin en 1935 a dominé le problème de la piézoélectricité, ≪Si l’on taille dans un quartz une lamelle et que l’on recouvre ses faces par une électrode avec une différence de potentiel alternative, on constate que lamelle subit une contraction et une dilatation synchrone de la variation électrique … ceci engendrant des ultrasons selon la fréquence électrique≫. Ce phénomène permet la conversion d’une énergie mécanique en énergie électrique de façon réversible, il est caractérisé par l’apparition des charges électriques sur les faces d’un matériau dit piézoélectrique quand ces faces sont soumises à une contrainte mécanique ce que l’on appelle l’effet direct et quand ils sont soumises à une différence de potentiel l’épaisseur du matériau change c’est l’effet piézoélectrique indirect. Avec un matériau solide cristallin, les charges positives et négatives sont harmonieusement réparties en repos. Une compression entraine une polarisation par dédoublement des certes de gravité électrique, préalablement confondus. Le quartz est surtout certains céramiques ont des propriétés piézoélectrique. Alors, le même élément peut fonctionner comme émetteur et récepteur, il suffira d’une bonne horloge électrique pour que l’émission et la réception ne se superposent pas mais s’intercalent harmonieusement .

Interaction des ultrasons et d’une interface
Une interface est définit par la frontière deux milieux d’impédances acoustiques différentes, alors quand l’onde ultrasonique se met en contact avec cette interface plusieurs phénomènes se produits sont : la transmission, la réflexion,la réfraction et la diffusion .

Transmission
Lorsqu’une onde passe d’un milieu à un autre une partie de l’énergie incidente est transmise et l’autre est réfléchie au niveau de l’interface séparent les deux milieux, la transmission a une liaison directe avec l’impédance acoustique.

Réflexion et réfraction
Lors du passage d’une onde ultrasonore à travers une interface séparant deux milieux de caractéristiques acoustiques différentes, une partie de l’onde incidente est réfléchie et une autre est réfractée. L’énergie contenue dans l’onde réfractée est égale à l’énergie de l’onde incidente diminuée de celle contenue dans l’onde réfléchie.

Diffusion
Lorsqu’une onde ultrasonore rencontre un obstacle de dimensions nettement inférieures à la longueur d’onde, l’onde incidente est très faiblement diffractée et une onde de faible amplitude, rayonnant dans toutes les directions est générée. Pour des obstacles sphériques, l’intensité de l’onde ainsi diffusée est inversement proportionnelle à la puissance de la longueur d’onde. On parle alors de diffusion de Rayleigh.

l’effet doppler 

L’effet Doppler se produit quand une source d’onde sinusoïdale (elle peut être une onde sonore ou électromagnétique) est en mouvement par rapport à un récepteur, celui-ci attribue aux vibrations qu’il reçoit une fréquence différente de la fréquence émise ou bien la même car cela dépend de la position du récepteur.

En 1842, l’autrichien Christian Doppler (1803-1853) montre que la fréquence d’une oscillation (son, lumière) change quand la source ou l’observateur sont en mouvement. Il essaye ensuite, sans succès d’appliquer son principe pour expliquer les différentes couleurs des étoiles et en particulier, la différence de couleur de certaines étoiles doubles. Ceci en effet aurait supposé que les étoiles auraient eu des vitesses proches de celle de la lumière ! En 1845 le hollandaisC.H.Buys-Ballot (1817-1890) démontre la validité du principe de Doppler pour les ondes sonores en constatant le changement de ton entendu quand des musiciens jouant des instruments à vent, embarqués sur un train sur la ligne UtrechtAmsterdam, s’approchent et puis s’éloignent de la gare. En 1848, le français Hippolyte Fizeau (1819-1896) développe le même principe de manière indépendante, mais montre que dans le cas de la lumière la couleur ne change pas. Ce sont les positions de raies spectrales qui changent. Un autre autrichien, Ernst Mach (1836-1916), ignore le travail de Fizeau,etil arrive en 1860 aux mêmes conclusions. L’italien Angelo Secchi (1818-1878) et l’anglais William Huggins (1829-1910) tentent les premiers de mesurer visuellement le décalage en longueur d’onde dans le spectre d’une étoile prédit par le principe de Doppler. Huggins annonce en 1871 avoir pu enfin mesurer la vitesse de Sirius, l’étoile très brillante dans la constellation du Grand Chien. En 1887 l’allemand H.C.Vogel (1841-1907) est le premier à faire cette détermination en photographiant le spectre de Sirius. C’est un énorme progrès dans la précision des mesures, qui passent de ± 22 km/s, pour la moyenne des mesures visuelles d’une nuit entière, à ± 2.6 km/s pour une observation photographique.

L’effet Doppler est une expérience de tous les jours,l’effet Doppler est la perception différente du son émit par un klaxon de voiture quis’approche de l’auditeurpuis qui s’en éloigne. Quand la voiture se rapproche, le son paraît plus aigu que le son perçu par le conducteur.

Système Arduino

Aujourd’hui, l’électronique est de plus en plus remplacée par de l’électronique programmée. Nous parlons aussi de système embarqué ou d’informatique embarquée, Le système Arduino, nous donne la possibilité d’allier les performances de la programmation à celles de l’électronique. Plus précisément, nous allons programmer des systèmes électroniques. Le gros avantage de l’électronique programmée c’est qu’elle simplifie grandement les schémas électroniques et par conséquent, le coût de la réalisation, mais aussi la charge de travail à la conception d’une carte électronique.

Hiver 2005, Massimo Banzi enseigne dans une école de Design à Ivrea en Italie, et souvent ses étudiants se plaignent de ne pas avoir accès à des solutions bas prix pour accomplir leurs projets de robotique. Banzi en discute avec David Cuartielles, un ingénieur Espagnol spécialisé sur les microcontrôleurs… Ils décident de créer leur propre carte en embarquant dans leur histoire un des étudiants de Banzi, David Mellis, qui sera chargé de créer le langage de programmation allant avec la carte. En deux jours David écrira le code ! Trois jours de plus et la carte était crée…

Le module Arduino est un circuit imprimé en matériel libre (plateforme de contrôle) dont les plans de la carte elle-même sont publiés en licence libre dont certains composants de la carte : comme le microcontrôleur et les composants complémentaires qui ne sont pas en licence libre. Un microcontrôleur programmé peut analyser et produire des signaux électriques de manière à effectuer des tâches très diverses. Arduino est utilisé dans beaucoup d’applications comme l’électrotechnique industrielle et embarquée ; le modélisme, la domotique mais aussi dans des domaines différents comme l’art contemporain et le pilotage d’un robot, commande des moteurs et faire des jeux de lumières, communiquer avec l’ordinateur, commander des appareils mobiles (modélisme). Chaque module d’Arduino possède un régulateur de tension +5 V et un oscillateur à quartez 16 MHz (ou un résonateur céramique dans certains modèles). Pour programmer cette carte, on utilise l’logiciel IDE Arduino .

Constitution de la carte Arduino UNO
Un module Arduino est généralement construit autour d’un microcontrôleur ATMELAVR, et de composants complémentaires qui facilitent la programmation et l’interfaçage avec d’autres circuits, Le système Arduino est composé de deux choses principales : le matériel et le logiciel et par la combinaison de ces deux derniers nous pourrons créés plusieurs réalisation.

Le Microcontrôleur ATMega328
Un microcontrôleur ATMega328 est un circuit intégré qui rassemble sur une puce plusieurs éléments complexes dans un espace réduit au temps des pionniers de l’électronique. Aujourd’hui, en soudant un grand nombre de composants encombrants ; tels que les transistors; les résistances et les condensateurs tout peut être logé dans un petit boîtier en plastique noir muni d’un certain nombre de broches dont la programmation peut être réalisée en langage C. la figure II.13 montre un microcontrôleur ATmega328, qu’on trouve sur la carte Arduino.

Sources d’alimentation de la carte
La carte Arduino Uno peut-être alimentée soit via la connexion USB (qui fournit 5V jusqu’à 500mA) ou à l’aide d’une alimentation externe. La source d’alimentation est sélectionnée automatiquement par la carte. L’alimentation externe (non-USB) peut être soit un adapteur secteur (pouvant fournir typiquement de 3V à 12V sous 500mA) ou des piles (ou des accus). L’adaptateur secteur peut être connecté en branchant une prise 2.1mm positif au centre dans le connecteur jack de la carte. Les fils en provenance d’un bloc de piles ou d’accus peuvent être insérés dans les connecteurs des broches de la carte appelées GND (masse ou 0V) et Vin (Tension positive en entrée) du connecteur d’alimentation. La carte peut fonctionner avec une alimentation externe de 6 à 20 volts. Cependant, si la carte est alimentée avec moins de 7V, la broche 5V pourrait fournir moins de 5V et la carte pourrait être instable. Si on utilise plus de 12V, le régulateur de tension de la carte pourrait chauffer et endommager la carte. Aussi, la plage idéale recommandée pour alimenter la carte Uno est entre 7V et 12V. On peut distinguer deux genres de sources d’alimentation (Entrée Sortie) et cela comme suit :
– VIN : La tension d’entrée positive lorsque la carte Arduino est utilisée avec une source de tension externe (à distinguer du 5V de la connexion USB ou autre source 5V régulée). On peut alimenter la carte à l’aide de cette broche, ou si l’alimentation est fournie par le jack d’alimentation, accéder à la tension d’alimentation sur cette broche.
– 5V : La tension régulée utilisée pour faire fonctionner le microcontrôleur et les autres composants de la carte (pour info : les circuits électroniques numériques nécessitent une tension d’alimentation parfaitement stable dite « tension régulée » obtenue à l’aide d’un composant appelé un régulateur et qui est intégré à la carte Arduino). Le 5V régulé fourni par cette broche peut donc provenir soit de la tension d’alimentation VIN via le régulateur de la carte, ou bien de la connexion USB (qui fournit du 5V régulé) ou de tout autre source d’alimentation régulée.
– 3V3 : Une alimentation de 3.3V fournie par le circuit intégré FTDI (circuit intégré faisant l’adaptation du signal entre le port USB de votre ordinateur et le port série de l’ATmega) de la carte est disponible : ceci est intéressant pour certains circuits externes nécessitant cette tension au lieu du 5V. L’intensité maximale disponible sur cette broche est de 50mA.
– GND : Broche de masse (ou 0V).

Entrées & sorties
Cette carte possède 14 broches numériques (numérotée de 0 à 13) peut être utilisée soit comme une entrée numérique, soit comme une sortie numérique, en utilisant les instructions pinMode( ), digitalWrite( ) et digitalRead( ) du langage Arduino. Ces broches fonctionnent en 5V. Chaque broche peut fournir ou recevoir un maximum de 40mA d’intensité et dispose d’une résistance interne de « rappel au plus » (pull-up) (déconnectée par défaut) de 20-50 KOhms. Cette résistance interne s’active sur une broche en entrée à l’aide de l’instruction digitalWrite (broche, HIGH). En plus, certaines broches ont des fonctions spécialisées :
-Interruptions Externes: Broches 2 et 3. Ces broches peuvent être configurées pour déclencher une interruption sur une valeur basse, sur un front montant ou descendant, ou sur un changement de valeur. -Impulsion PWM (largeur d’impulsion modulée): Broches 3, 5, 6, 9, 10, et 11. Fournissent une impulsion PWM 8-bits à l’aide de l’instruction analogWrite ( ).
-SPI (Interface Série Périphérique): Broches 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Ces broches supportent la communication SPI (Interface Série Périphérique) disponible avec la librairie pour communication SPI. Les broches SPI sont également connectées sur le connecteur ICSP qui est mécaniquement compatible avec les cartes Méga.
-I2C: Broches 4 (SDA) et 5 (SCL). Supportent les communications de protocole I2C (ou interface TWI (TwoWire Interface – Interface « 2 fils »), disponible en utilisant la librairie Wire/I2C (ou TWI – Two-Wire interface – interface « 2 fils »).
-LED: Broche 13. Il y a une LED incluse dans la carte connectée à la broche 13. Lorsque la broche est au niveau HAUT, la LED est allumée, lorsque la broche est au niveau BAS, la LED est éteinte. La carte UNO dispose 6 entrées analogiques (numérotées de 0 à 5), chacune pouvant fournir une mesure d’une résolution de 10 bits (c.à.d. sur 1024 niveaux soit de 0 à 1023) à l’aide de la très utile fonction analogRead( ) du langage Arduino. Par défaut, ces broches mesurent entre le 0V (valeur 0) et le 5V (valeur 1023), mais il est possible de modifier la référence supérieure de la plage de mesure en utilisant la broche AREF et l’instruction analogReference( ) du langage Arduino. La carte Arduino UNO intègre un fusible qui protège le port USB de l’ordinateur contre les surcharges en intensité (le port USB est généralement limité à 500mA en intensité).Bien que la plupart des ordinateurs aient leur propre protection interne, le fusible de la carte fournit une couche supplémentaire de protection. Si plus de 500mA sont appliqués au port USB, le fusible de la carte coupera automatiquement la connexion jusqu’à ce que le court-circuit ou la surcharge soit stoppé.

Ports de communications
La carte Arduino UNO a de nombreuses possibilités de communications avec l’extérieur. L’Atmega328 possède une communication série UART TTL (5V), grâce aux broches numériques 0 (RX) et 1 (TX). On utilise (RX) pour recevoir et (TX) transmettre (les données séries de niveau TTL).Ces broches sont connectées aux broches correspondantes du circuit intégré ATmega328 programmé en convertisseur USB – vers – série de la carte, composant qui assure l’interface entre les niveaux TTL et le port USB de l’ordinateur. Comme un port de communication virtuel pour le logiciel sur l’ordinateur, La connexion série de l’Arduino est très pratique pour communiquer avec un PC, mais son inconvénient est le câble USB, pour éviter cela, il existe différentes méthodes pour utiliser ce dernier sans fil .

Conclusion générale :

Au terme de cette étude et réalisation de la station de détection qui permet de mesurer la vitesse d’un mobile par effet Doppler continue, il convient de récapituler les conclusions qu’ils s’impliquent. L’effet Doppler utilise un principe simple d’émission réception des ondes ultrasonores en utilisant les transducteurs ultrasoniques, le signal reçu est traité par un circuit mélangeur à transistor, puis amplifié par un circuit amplificateur inverseur et converti à un signal carré par un circuit comparateur et enfin stabilisé à 5V par une diode zener afin d’alimenter la carte Arduino Uno R3. Le produit ainsi réalisé permet à l’utilisateur d’étudier le mode d’émission continue qui permet de détecter n’importe qu’elle objet mobile se trouvant en face de la station d’émissionréception. Afin de mesurer la vitesse du mobile, nous avons adapté un code sous l’environnement IDE que nous avons téléversé vers la carte Arduino Uno R3. Les résultats obtenus à travers cette étude qu’ils soient théoriques ou pratiques, permettent d’ouvrir la porte à d’autres études (exemple en mode pulsé,…etc). Nous souhaitons vivement que ce projet puisse servir comme élément de base pour d’autres études plus approfondies pour le faire intégrer sous des systèmes plus complexes.

Table des matières

Introduction générale
CHAPITRE I : Principe des ultrasons et effet Doppler
I.1 Introduction
I.2 Le principe des ultrasons
I.2.1 Introduction
I.2.2 Définition
I.2.3 Nature des ultrasons
I.2.4 Les caractéristiques des ultrasons
La fréquence (f)
La période (T)
La longueur d’onde (? )
La célérité (c)
L’amplitude (A)
L’intensité (I) et la pression acoustique (P)
L’impédance acoustique (Z)
I.2.5 Le capteur ultrasonique (effet piézoélectrique)
I.2.6 Interaction des ultrasons et d’une interface
I.2.6.1 Transmission
I.2.6.2 Réflexion et réfraction
I.2.6.3 Diffusion
I.3 l’effet doppler
I.3.1 Introduction
I.3.2 Historique
I.3.3 Principe physique
I.3.4 Relations mathématiques liées à l’effet Doppler
I.3.4.1 Effet Doppler sonore
I.3.4.2 Effet Doppler pour les ondes lumineuses
I.3.5 Applications pratiques du phénomène
I.3.6 Détermination de la formule de la vitesse
I.3.7 Modes Doppler
I.3.7.1 Mode pulsé
I.3.7.2Mode continue
I.4 Conclusion
CHAPITRE II : Système Arduino
II.1 Introduction
II.2 Historique de l’Arduino..
II.3 Définition du module Arduino
II.4 Gammes de la carte Arduino
II.5 Raisons du choix de la carte Arduino
II.6 Constitution de la carte Arduino UNO
II.6.1 La partie matérielle
II.6.1.1 Synthèse des caractéristiques
II.6.1.2 Constitution de la carte
Le Microcontrôleur ATMega328
Sources d’alimentation de la carte
Entrées & sorties
Ports de communications
Zoom sur la carte Arduino Uno R3
II.6.2 Partie programme
II.6.2.1 Environnement de programmation
II.6.2.2 Structure générale du programme (IDE Arduino)
II.6.2.3 Injection du programme
II.7 Les Accessoires de la carte Arduino
II.7.1 Communication
Le module Arduino Bluetooth
Le module shield Arduino Wifi
Le Module XBee
II.7.2 Capteurs
II.7.3 Drivers
Des moteurs électriques
Les afficheurs LCD
Le relais
II.8 Conclusion
CHAPITRE III : Station d’émission-réception
III.1 Introduction
III.2 Différentes étapes de réalisation de la station d’émission-réception
III.3 Schéma fonctionnel de la station
III.4 Conception et simulation sous l’environnement ISIS de Proteus
III.4.1 Emetteur ultrasonique
III.4.2 Récepteur ultrasonique
III.4.2.1 Circuit mélangeur
III.4.2.2 Circuit amplificateur inverseur
III.4.2.3 Circuit Comparateur
III.4.2.4 Circuit de mise en forme
III.4.2.5 Code Arduino
III.5 Réalisation pratique de la station
III.6 Conclusion
Références
Conclusion générale

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