FICHE DE RÉVISION – Émission et Perception d'un Son
(Niveau : Seconde)
Émission et Perception d’un Son
De la vibration d’une corde de guitare à la perception par notre oreille : tout savoir sur le son.
Partie 1 : Émission et Propagation d’un Son
Un son est une onde produite par la vibration d’un objet (la source). Cette vibration se propage ensuite dans un milieu matériel.
1. Émission : La Vibration
Un son est créé par la vibration mécanique d’un objet (cordes vocales, corde de guitare, membrane de haut-parleur…).
Caisse de résonance : C’est une cavité (comme le corps d’une guitare) qui vibre avec la source. Elle ne change pas la note, mais elle amplifie le son en mettant une plus grande surface d’air en vibration.
2. Propagation : Le Milieu Matériel
La vibration se propage « de proche en proche » en faisant vibrer les molécules du milieu (air, eau, métal…). C’est une succession de compressions et de dilatations du milieu.
IMPORTANT : Le son a besoin d’un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) pour se propager. Il ne se propage pas dans le vide.
On place une sonnette dans une cloche à vide. Quand on allume la sonnette, on la voit vibrer mais on ne l’entend plus (ou presque plus) car il n’y a plus d’air pour transporter le son.
Partie 2 : Vitesse de Propagation du Son
La vitesse du son (ou « célérité ») n’est pas infinie. Elle dépend du milieu dans lequel il se propage.
Vitesse dans l’air :
La valeur à retenir est environ \(v_{\text{air}} \approx 340 \text{ m/s}\) (à 20°C).
Cette vitesse varie avec la température et l’humidité.
Comparaison :
- Le son est beaucoup plus lent que la lumière (vitesse de la lumière \(c \approx 300 000 000 \text{ m/s}\)).
- Le son se propage plus vite dans les liquides et les solides que dans l’air.
Ex: \(v_{\text{eau}} \approx 1500 \text{ m/s}\) ; \(v_{\text{acier}} \approx 5000 \text{ m/s}\).
On utilise la relation classique : \(v = \frac{d}{t}\) (vitesse = distance / temps).
⚡ Un orage éclate. Vous voyez l’éclair (lumière quasi-instantanée) et vous entendez le tonnerre (son) 6 secondes plus tard.
À quelle distance se trouve l’orage ?
\(d = v \times t = 340 \text{ m/s} \times 6 \text{ s} = 2040 \text{ m}\) (soit environ 2 km).
Partie 3 : Signal Périodique (Fréquence et Période)
Un son « pur » (comme un diapason) ou une note de musique tenue est un signal sonore périodique : il se répète identiquement à lui-même à intervalles de temps réguliers.
1. La Période (T)
C’est la plus petite durée (en secondes, s) au bout de laquelle le signal se répète. On la mesure sur la représentation temporelle (graphique) du signal.
2. La Fréquence (f)
C’est le nombre de périodes (de répétitions) en une seconde. L’unité est le Hertz (Hz).
3. Relation Fondamentale
La fréquence est l’inverse de la période :
$$ f = \frac{1}{T} \quad \text{et} \quad T = \frac{1}{f} $$(Attention aux unités : \(f\) en Hz, \(T\) en s).
Sur l’oscilloscope, on mesure la durée d’un motif (une période).
On lit \(T = 5 \text{ ms}\) (millisecondes).
1. Convertir T en secondes : \(T = 5 \text{ ms} = 0,005 \text{ s}\).
2. Calculer f : \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0,005 \text{ s}} = 200 \text{ Hz}\).
(Rappel : 1 ms = 0,001 s).
Partie 4 : Perception du Son (Hauteur, Timbre, Intensité)
Notre oreille analyse 3 caractéristiques d’un son.
1. La Hauteur (Pitch) 📈
- Ce qu’on entend : Si un son est aigu ou grave.
- Ce que c’est (Physique) : La Fréquence ($f$).
- Haute fréquence (\(f\) élevée) \(\rightarrow\) Son aigu (ex: sifflet).
- Basse fréquence (\(f\) basse) \(\rightarrow\) Son grave (ex: voix d’homme, basse).
2. Le Timbre 🎶
- Ce qu’on entend : Ce qui différencie deux instruments jouant la même note (ex: un La à 440 Hz au piano vs. à la guitare).
- Ce que c’est (Physique) : La forme du signal périodique.
3. L’Intensité (Loudness) 📣
- Ce qu’on entend : Si un son est fort ou faible.
- Ce que c’est (Physique) : L’amplitude du signal.
- Grande amplitude \(\rightarrow\) Son fort (intensité élevée).
- Petite amplitude \(\rightarrow\) Son faible (intensité faible).
Domaines de Fréquences (Audibilité)
L’oreille humaine n’entend pas tout :
- Sons audibles : Fréquences entre 20 Hz (très grave) et 20 000 Hz (ou 20 kHz) (très aigu).
- < 20 Hz : Infrasons (entendus par les éléphants).
- > 20 000 Hz : Ultrasons (entendus par les chiens, chauves-souris, utilisés en échographie).
Niveau d’Intensité Sonore ⚠️
L’intensité sonore (en \(W/m^2\)) est compliquée. On utilise une échelle plus simple : le Niveau d’Intensité Sonore ($L$), en décibels (dB).
- C’est une échelle non-linéaire (logarithmique).
- 0 dB : Seuil d’audibilité (le son le plus faible qu’on puisse entendre).
- Dangers : Une exposition prolongée à des niveaux élevés est dangereuse et irréversible pour l’audition.
- Seuil de danger : Environ 85 dB (bruit d’une cantine bruyante, trafic routier).
- Seuil de douleur : Environ 120 dB (concert de rock, avion au décollage).
[Image of sound level scale (dB)]
0 dB : Seuil d’audibilité
20 dB : Chuchotement
60 dB : Conversation normale
85 dB : SEUIL DE DANGER
105 dB : Concert, discothèque
120 dB : SEUIL DE DOULEUR
Partie 5 : Entraînement (Exercices)
- Exercice 1 (Vitesse) : Lors d’un feu d’artifice, un spectateur entend l’explosion 1,5 seconde après avoir vu la lumière. La vitesse du son dans l’air est de 340 m/s. À quelle distance se trouve-t-il du feu d’artifice ?
-
Exercice 2 (Période/Fréquence) : Un microphone analyse un son. La représentation temporelle montre 4 motifs (périodes) complets en 20 ms.
a) Calculer la période T (en s) d’un seul motif.
b) Calculer la fréquence f (en Hz) de ce son. -
Exercice 3 (Perception) : Un violon joue une note à 1320 Hz. Une contrebasse joue une note à 82 Hz.
a) Quel son est le plus aigu ?
b) Ces deux sons sont-ils audibles par un humain ? Sont-ils des infrasons ou ultrasons ? - Exercice 4 (Dangers) : Dans une discothèque, le niveau sonore est de 102 dB. Pourquoi est-il indispensable de porter des protections auditives ou de faire des pauses régulières ?
Partie 6 : Corrections Détaillées
Correction Exercice 1 (Vitesse)
On néglige le temps de propagation de la lumière (quasi-instantané). Le temps \(t = 1,5 \text{ s}\) est le temps mis par le son pour parcourir la distance \(d\).
On utilise la formule \(d = v \times t\).
\(d = 340 \text{ m/s} \times 1,5 \text{ s} = 510 \text{ m}\).
Le spectateur se trouve à 510 mètres du feu d’artifice.
Correction Exercice 2 (Période/Fréquence)
a) On a 4 périodes (4T) qui durent 20 ms.
La durée d’une seule période est : \(T = \frac{20 \text{ ms}}{4} = 5 \text{ ms}\).
On convertit en secondes : \(T = 5 \text{ ms} = 0,005 \text{ s}\).
b) On utilise la formule \(f = \frac{1}{T}\).
\(f = \frac{1}{0,005 \text{ s}} = 200 \text{ Hz}\).
La fréquence du son est de 200 Hz.
Correction Exercice 3 (Perception)
a) La hauteur (aigu/grave) dépend de la fréquence. Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu.
Comme \(1320 \text{ Hz} > 82 \text{ Hz}\), c’est le violon qui joue le son le plus aigu.
b) Le domaine audible humain est [20 Hz ; 20 000 Hz].
\(82 \text{ Hz}\) et \(1320 \text{ Hz}\) sont tous les deux dans cet intervalle.
Les deux sons sont donc audibles. Ce ne sont ni des infrasons (< 20 Hz) ni des ultrasons (> 20 000 Hz).
Correction Exercice 4 (Dangers)
Le seuil de danger pour l’oreille est fixé à 85 dB pour une exposition prolongée. Le seuil de douleur (dommages immédiats) est à 120 dB.
Un niveau de 102 dB est très largement au-dessus du seuil de danger.
Une exposition à ce niveau, même de courte durée, provoque une fatigue auditive et peut entraîner des dommages irréversibles (acouphènes, surdité partielle). Il est donc crucial de protéger son audition.
Besoin d'aide en Physique-chimie ?
Je propose des cours de remise à niveau en visio ou en présentiel