Cours

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

Corrigé :
$v_{\text {son}}=\dfrac{d}{\Delta t}$ donc $\Delta t=\dfrac{d}{v_{\text {son}}}=\dfrac{160 \times 2}{340}=0\text{,}941$ s

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

❯ 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$\cdot$s^-1.

Milieu	Air	Eau liquide	Verre	Acier
$v$ (m$\cdot$s-1)	340	1 500	5 300	5 800

❯ 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.

❯ 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.

❯ 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 $f$ du son représente le nombre de périodes de ce signal par seconde. Elle se calcule par $f=\dfrac{1}{T}$.

Elle s’exprime en hertz (Hz) si $T$ est en seconde (s).

❯ 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.

❯ 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.

❯ 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.

❯ 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.

❯ 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 $I$ de l’onde sonore.

Pour modéliser cette réalité, on définit le niveau d’intensité sonore $L$, 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).