Une corde de guitare vibre, une enceinte fait trembler l’air, l’oreille perçoit une note : un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel. On le caractérise par sa fréquence, son niveau d’intensité sonore et son timbre.
Objectifs
- Décrire l’émission et la propagation d’un signal sonore
- Utiliser la vitesse de propagation d’un son
- Mesurer une période et calculer une fréquence
- Relier hauteur et fréquence, timbre et forme du signal
- Exploiter une échelle de niveaux d’intensité sonore
1. Émission et propagation
- Un son est produit par la vibration d’un objet (corde, membrane, cordes vocales), souvent associée à une caisse de résonance qui l’amplifie.
- Le son se propage de proche en proche par compression et dilatation du milieu : il a besoin d’un milieu matériel (gaz, liquide, solide). Il ne se propage pas dans le vide.
v = d / Δt
| Milieu | Vitesse du son (ordre de grandeur) |
|---|---|
| Air (température ambiante) | ≈ 340 m·s−1 |
| Eau | ≈ 1 500 m·s−1 |
| Acier | ≈ 5 000 à 6 000 m·s−1 |
Distance d’un orage
- On entend le tonnerre Δt = 3,0 s après avoir vu l’éclair (la lumière arrive quasi instantanément).
- d = v × Δt = 340 × 3,0 = 1 020 m
L’orage est à environ 1 km.
2. Signal sonore périodique
Un microphone convertit le son en signal électrique observable sur un oscilloscope ou une interface d’acquisition. Un signal est périodique s’il se répète identique à lui-même à intervalles de temps égaux.
Période T et fréquence f : La période T (en s) est la plus petite durée au bout de laquelle le signal se répète. La fréquence f (en hertz, Hz) est le nombre de répétitions par seconde.
f = 1 / T
Mesurer une fréquence
- Sur l’écran, 4 périodes occupent 10 ms.
- T = 10 / 4 = 2,5 ms = 2,5 × 10−3 s
- f = 1 / (2,5 × 10−3) = 400 Hz
Astuce : mesurer plusieurs périodes améliore la précision.
3. Hauteur et timbre
- La hauteur d’un son est liée à sa fréquence : plus f est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus il est grave. Le la du diapason (la3) a une fréquence de 440 Hz.
- Le timbre est lié à la forme du signal : deux instruments qui jouent la même note (même fréquence) ont des signaux de formes différentes.
- Un son pur (diapason) a un signal sinusoïdal ; un son complexe (instrument, voix) a un signal périodique non sinusoïdal.
4. Perception : intensité et niveau d’intensité sonore
- L’intensité sonore I (en W·m−2) caractérise la puissance sonore reçue par unité de surface ; elle diminue quand on s’éloigne de la source.
- L’oreille perçoit un niveau d’intensité sonore L, exprimé en décibels (dB) et mesuré au sonomètre. L augmente quand I augmente, mais pas proportionnellement.
- Le domaine audible par l’oreille humaine s’étend environ de 20 Hz à 20 kHz. En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons.
| Situation | Niveau d’intensité sonore (ordre de grandeur) |
|---|---|
| Seuil d’audibilité | 0 dB |
| Conversation | ≈ 60 dB |
| Seuil de risque (exposition prolongée) | ≈ 85 dB |
| Concert amplifié | ≈ 100 à 110 dB |
| Seuil de douleur | ≈ 120 dB |
À retenir
- Le son a besoin d’un milieu matériel ; dans l’air, v ≈ 340 m·s−1.
- f = 1 / T, f en Hz et T en s.
- Hauteur ↔ fréquence ; timbre ↔ forme du signal.
- Niveau d’intensité sonore en dB ; danger au-delà d’environ 85 dB en exposition prolongée.
- Domaine audible : environ 20 Hz à 20 kHz.
Et maintenant, à toi !
Vérifie que tu as compris avec les exercices, puis révise avec la fiche.