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Physique-Chimie 2de

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Chapitre 14


Cours




1
Les sons et leur propagation

Application

Un trompettiste émet un son court face à une falaise située à 160 mètres de lui. Quelle est la durée totale du trajet Δt\Delta t de l'onde sonore après réflexion sur la falaise ?

Corrigé :
vson=dΔtv_{\text {son}}=\dfrac{d}{\Delta t} donc Δt=dvson=160×2340=0,941\Delta t=\dfrac{d}{v_{\text {son}}}=\dfrac{160 \times 2}{340}=0\text{,}941 s

Le décalage entre l’émission du son vocal et sa réception de l’autre côté est donc perceptible.

Vocabulaire

  • Célérité : vitesse de propagation d’une onde, à distinguer de la vitesse d’un corps matériel. En effet, pour une onde, il n’y a aucun déplacement de matière.

Éviter les erreurs

La vibration de l’objet qui crée le son n’est pas forcément visible à l’œil nu ; elle peut être microscopique et en général bien trop rapide pour l’œil.
Ne pas confondre résonner (augmenter l’intensité sonore) et raisonner (réfléchir, penser).

C
Vitesse de propagation du son : la célérité

Dans un milieu donné, le son se propage avec une vitesse caractéristique. Cette vitesse, appelée aussi célérité, dépend de la nature du milieu et de la température. Dans l’air, vers 20 °C, la célérité du son est voisine de 340 m\cdots-1.

Milieu Air Eau liquide Verre Acier
vv (m\cdots-1) 340 1 500 5 300 5 800

Doc. 3
La cloche à vide

La cloche à vide
Dans le vide, le son ne peut se propager parce qu’il n’y a pas de matière. L’onde sonore ne peut exister.

B
La propagation du son

On entend un son en étant à distance de la source qui l’a créé : entre la source sonore et l’oreille, il y a propagation du son.

La vibration initiale est transmise de proche en proche au niveau microscopique (entre molécules ou entre atomes), sans que l’objet qui vibre ne se déplace lui-même. Comme une ola dans un stade : la vague se déplace, mais les supporters ne l’accompagnent pas dans son déplacement latéral.

On parle de signal sonore qui se propage depuis la source.

Un signal sonore est un phénomène de déplacement d’une perturbation de proche en proche dans un milieu matériel et sans transport effectif de matière.

L’onde sonore nécessite un milieu de propagation pour se déplacer : ce milieu peut être l’air, le bois, le métal, l’eau ou tout autre matériau. En l’absence de milieu matériel (c’est-à-dire le vide), il ne peut y avoir propagation du son. Ainsi, sur la Lune qui n’a pas d’atmosphère, les sons ne se propagent pas.

Doc. 1
La guitare

La guitare
La corde vibre quand elle est pincée.

A
Création d’un son

Un son est créé par la vibration rapide d’un objet comme les cordes d’une guitare (doc. 1), les ailes d’un insecte ou les feuilles d’un arbre au vent.

Cette vibration est souvent d’amplitude micrométrique à millimétrique et provoque des sons de faible intensité. Pour résoudre ce problème, beaucoup d’instruments (doc. 2) et d’êtres vivants sont dotés d’une caisse de résonance.

Une caisse de résonance amplifie et sélectionne les sons.


Doc. 2
Le saxophone

Le saxophone
L’anche (partie claire en bois) vibre grâce au flux d’air soufflé par le musicien. Le corps de l’instrument est la caisse de résonance.

2
Des sons particuliers : les sons périodiques


Doc. 6
Deux signaux sonores différents mais de même période

Deux signaux sonores différents mais de même période
Deux sons de sources différentes, avec la même période TT mais une forme de signal différente : on dit que leur timbre est différent.

Doc. 7
Un trompettiste expérimenté

Ibrahim Maalouf
Ibrahim Maalouf en concert, 2014.

B
Période et fréquence d’un son

Le signal observé permet d’analyser ce son. On peut constater que ce signal est périodique sur une durée plus ou moins longue, c’est-à-dire qu’il se reproduit identique à lui-même (doc. 5) à un intervalle de temps régulier appelé période.

La période d’un signal périodique se lit sur un graphique qui représente le signal lorsque le temps est en abscisse.

C’est la durée du plus court « motif  » qui se répète identique à lui-même. La période s’exprime en seconde (s).

La fréquence ff du son représente le nombre de périodes de ce signal par seconde. Elle se calcule par f=1Tf=\dfrac{1}{T}.

Elle s’exprime en hertz (Hz) si TT est en seconde (s).

Éviter les erreurs

La période TT est parfois exprimée en millisecondes (ms). Pour déterminer la fréquence ff, il faut convertir la valeur de TT en secondes (s) pour obtenir un résultat de la fréquence en hertz (Hz).

C
Hauteur d’un son, timbre

Un son de fréquence élevée donne un son aigu, une fréquence basse donne un son grave.

C’est la fréquence qui définit la hauteur d’un son.

En musique, des sons de même hauteur représentent la même note (par exemple un La3 si la fréquence est de 440 Hz).

Pourtant, même si deux instruments jouent la même note, ils sont différentiables et identifiables à l’oreille. Leur timbre est différent (doc. 6).

Le timbre d’un son (et par extension, le timbre d’un instrument de musique) est l’ensemble des caractéristiques du signal permettant de distinguer ce son d’un autre son de même hauteur.

A
« Voir » un son

À l’aide d’un microphone, on peut transformer un signal sonore en signal électrique. Ce signal converti est alors visualisable sur un oscilloscope ou sur un ordinateur, sous la forme d’un graphique (voir doc. 4).

Les tensions observées sont proportionnelles à l’intensité de l’onde sonore.

Doc. 4
Un son en signal électrique

Un son en signal électrique
Un son transformé en signal électrique et visualisé dans un logiciel de musique.

Doc. 5
Visualisation d’un son périodique

Visualisation d’un son périodique
Sur le logiciel Audacity, on distingue un « motif élémentaire » qui se répète.

3
Le son et l’oreille


A
Le domaine des fréquences audibles

L’oreille humaine ne perçoit que certaines fréquences sonores. Un son trop grave ou trop aigu ne sera pas entendu.

Le domaine de fréquences des sons audibles est compris entre 20 Hz et 20 kHz (doc. 8).

Ces valeurs peuvent varier d’un individu à l’autre et le domaine de fréquences audibles se réduit avec l’âge.
En deçà de 20 Hz, on se situe dans le domaine des infrasons.
Au-delà de 20 kHz, il s’agit d’ultrasons.

Remarque : Des sons de fréquences non audibles pour l’humain le sont pour certains animaux. Certains capteurs microphoniques particuliers sont adaptés pour capter ces fréquences inaudibles à notre oreille.

Pas de malentendu

Si une source sonore est deux fois plus intense, l’intensité est doublée mais le niveau d’intensité sonore perçu augmente de seulement 3 dB, il n’est pas doublé. L’oreille ne perçoit pas un son « deux fois plus fort » mais « un petit peu plus fort ».

Éviter les erreurs

La hauteur du signal électrique sur le graphique s’appelle l’amplitude du signal.
La hauteur d’un son (son grave ou aigu) dépend de la période ou de la fréquence du signal associé. Cette notion ne doit surtout pas être confondue avec l’amplitude !

Doc. 9
Amplitude d’un signal

Amplitude d’un signal

C
Perception des sons par l’oreille

L’onde sonore peut représenter un danger pour l’oreille, si son niveau d’intensité sonore est trop élevé. Le niveau 0 dB est le niveau en dessous duquel une oreille moyenne ne détectera pas le son.

On définit une échelle de niveau sonore qui précise les conséquences de l’exposition de l’oreille à des sons de différentes intensités. Au-delà d’un certain niveau, la vibration peut endommager l’oreille irrémédiablement.

L’échelle de niveaux sonores

Doc. 8
Fréquences des sons perçus

Fréquences des sons perçus
Les infrasons, les ultrasons et les sons audibles par les humains.

Doc. 10
Un sonomètre

Un sonomètre
Outil servant à mesurer le niveau sonore.

B
Intensité et niveau sonores

Un son est deux fois plus intense si la source sonore vibre avec une amplitude deux fois plus grande (doc. 9). Pourtant, il ne sera pas perçu deux fois plus fort par l’oreille.
L’oreille ne réagit donc pas proportionnellement à l’intensité II de l’onde sonore.

Pour modéliser cette réalité, on définit le niveau d’intensité sonore LL, exprimé en décibel (dB), qui n’est pas proportionnel à l’amplitude.

On peut mesurer le niveau d’intensité sonore grâce à un sonomètre (doc. 10).


Éviter les erreurs

20 kHz == 20 ×\times 103 Hz == 20 000 Hz.
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