◎Objectifs et prérequis
À la fin du chapitre, je sais…
- décrire l'émission d'un son par un objet qui vibre et sa propagation dans un milieu matériel ;
- utiliser la vitesse de propagation d'un son pour calculer une distance ou une durée ;
- mesurer la période d'un signal périodique et calculer sa fréquence ;
- relier la hauteur d'un son à sa fréquence et son timbre à la forme du signal ;
- exploiter une échelle de niveau d'intensité sonore et citer les dangers pour l'audition.
Ce que je dois déjà savoir
- (collège) le son ne se propage pas dans le vide ; il se propage dans l'air à environ 340 m/s ;
- (chapitre 3) \(v = \dfrac{d}{\Delta t}\), conversions d'unités ;
- (maths) lire un graphique, calculer un inverse, utiliser les puissances de dix.
?Point de départ : la règle des 3 secondes
La lumière de l'éclair nous parvient presque instantanément (elle va à 300 000 km/s). Le son du tonnerre, lui, met environ 3 secondes par kilomètre.
À 340 m/s, en 3 s, le son parcourt \(340 \times 3 = 1\,020\ \text{m}\), soit environ 1 km. Si l'on compte 9 secondes entre l'éclair et le tonnerre, l'orage est à environ 3 km.
Ce chapitre explique comment un son est produit, comment il se propage, et ce qui détermine ce que l'oreille perçoit : grave ou aigu, fort ou faible, flûte ou guitare.
1Émission et propagation d'un son
Un son est produit par un objet qui vibre : corde de guitare, membrane d'un haut-parleur, cordes vocales, branches d'un diapason. Souvent, une caisse de résonance amplifie le son produit (caisse de la guitare, boîte du diapason).
La vibration de la source comprime et détend successivement l'air voisin ; cette perturbation se transmet de proche en proche : c'est une onde sonore. L'air ne se déplace pas avec l'onde : chaque tranche d'air vibre autour de sa position.
Un son a besoin d'un milieu matériel (gaz, liquide, solide) pour se propager. Il ne se propage pas dans le vide : dans l'espace, une explosion est silencieuse.
- \(v\)
- vitesse du son, en \(\text{m}\cdot\text{s}^{-1}\)
- \(d\)
- distance parcourue, en m
- \(\Delta t\)
- durée du parcours, en s
| Milieu | Air (20 °C) | Eau | Acier | Vide |
|---|---|---|---|---|
| Vitesse du son (m·s⁻¹) | ≈ 340 | ≈ 1 500 | ≈ 5 900 | pas de propagation |
Le son va plus vite dans les liquides et les solides que dans l'air. Dans l'air, sa vitesse augmente légèrement avec la température (331 m/s à 0 °C, 343 m/s à 20 °C).
2Un signal sonore périodique
Un microphone transforme le son en signal électrique (une tension), que l'on visualise avec un oscilloscope ou une interface d'acquisition. On obtient un oscillogramme : la tension en fonction du temps.
- Un signal est périodique s'il se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers.
- La période \(T\) est la plus petite durée au bout de laquelle le signal se répète. Elle s'exprime en secondes (s).
- La fréquence \(f\) est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).
- \(f\)
- fréquence, en hertz (Hz), 1 Hz = 1 s⁻¹
- \(T\)
- période, en secondes (s)
On mesure la durée de plusieurs périodes (par exemple 5), puis on divise : l'erreur de lecture est elle aussi divisée par 5. Sur un oscilloscope, la durée se lit en multipliant le nombre de divisions par la base de temps (en ms/div).
Simulation — Un oscilloscope et un haut-parleur
Choisis un instrument, sa fréquence et l'amplitude. Mesure la période sur l'écran grâce à la base de temps, puis écoute le son (volume modéré).
L'écran compte 10 divisions horizontales. Le son est synthétisé par le navigateur ; baisse le volume de l'appareil avant d'écouter.
3Hauteur, timbre et domaine audible
La hauteur d'un son est liée à sa fréquence : plus la fréquence 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. Une flûte et une guitare jouant la même note ont la même période (même hauteur), mais des oscillogrammes de formes différentes : on les reconnaît à l'oreille.
Un diapason produit un son pur, de signal sinusoïdal. Les instruments produisent des sons composés : leur signal est périodique mais non sinusoïdal. Il est la superposition de sinusoïdes de fréquences \(f\), \(2f\), \(3f\)… (les harmoniques) ; leurs proportions font le timbre.
L'oreille humaine perçoit les sons de fréquence comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). En dessous : les infrasons (éléphants, séismes) ; au-dessus : les ultrasons (chauves-souris, dauphins, échographie, sonar). La limite haute diminue avec l'âge.
4Niveau d'intensité sonore et protection de l'audition
Un son est plus ou moins fort selon son intensité sonore \(I\), en \(\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\). Comme l'oreille perçoit des intensités qui vont de 1 à 1 000 milliards, on utilise une échelle plus commode.
Le niveau d'intensité sonore \(L\) se mesure avec un sonomètre et s'exprime en décibels (dB). Le seuil d'audibilité correspond à 0 dB ; le seuil de douleur à environ 120 dB.
- Quand l'intensité sonore est multipliée par 2, le niveau augmente de 3 dB seulement.
- Quand l'intensité est multipliée par 10, le niveau augmente de 10 dB.
- Les décibels ne s'additionnent pas : deux sources de 80 dB produisent ensemble 83 dB, pas 160 dB.
À partir d'environ 80 à 85 dB, une exposition prolongée abîme les cellules ciliées de l'oreille interne, qui ne se régénèrent pas : la perte d'audition est irréversible. Plus le niveau est élevé, plus la durée d'exposition sans danger est courte : elle est divisée par 2 chaque fois que le niveau augmente de 3 dB. Se protéger : s'éloigner des enceintes, faire des pauses, porter des bouchons, limiter le volume du casque.
Simulation — L'échelle des décibels
Déplace le curseur : la simulation indique une source sonore typique et la durée d'exposition quotidienne au-delà de laquelle l'audition est en danger (repère : 8 h à 85 dB, durée divisée par 2 tous les 3 dB).
Les durées sont des repères de prévention (recommandations internationales), pas des seuils exacts : la sensibilité varie d'une personne à l'autre.
✎Méthode : exploiter un oscillogramme
Énoncé. Sur un oscillogramme réglé à 1 ms/div, on compte 5 périodes sur 11,4 divisions. Déterminer la fréquence du son. Le son est-il audible ? Peut-il s'agir du la3 d'un diapason (440 Hz) ?
!Erreurs fréquentes
\(T = 2{,}28\ \text{ms}\) donne \(f = 1/0{,}002\,28 = 439\ \text{Hz}\), et non \(1/2{,}28 = 0{,}44\ \text{Hz}\).
Un son aigu n'est pas un son fort. La hauteur dépend de la fréquence ; le niveau sonore dépend de l'amplitude du signal.
La période est la durée d'un motif complet : pour une sinusoïde, de sommet à sommet suivant, pas de sommet à creux (demi-période).
Deux sources de 80 dB ne font pas 160 dB, mais 83 dB.
Les films de science-fiction ont tort : dans l'espace, aucun bruit d'explosion ne se propage jusqu'à un observateur.
★L'essentiel
Émission, propagation
Un objet vibre ; l'onde sonore se propage dans un milieu matériel, pas dans le vide.
≈ 340 m/s dans l'air, ≈ 1 500 m/s dans l'eau.
Période et fréquence
\(f\) en Hz, \(T\) en s. Mesurer plusieurs périodes pour plus de précision.
Perception
Hauteur ↔ fréquence (aigu = grande fréquence). Timbre ↔ forme du signal. Domaine audible : 20 Hz à 20 kHz.
Niveau sonore
En dB, mesuré au sonomètre. +3 dB : intensité × 2. Danger dès 80 à 85 dB en exposition prolongée ; douleur vers 120 dB.
✓Quiz : vérifie que tu as compris
1. Un signal a une période de 5,0 ms. Sa fréquence est :
2. Un son de 2 000 Hz, comparé à un son de 200 Hz, est :
3. Une flûte et un violon jouent la même note. Leurs signaux ont :
4. Une chauve-souris émet des sons de 50 kHz. Ce sont :
5. On entend le tonnerre 6 s après l'éclair. L'orage est à environ :
6. On passe de 85 dB à 91 dB. La durée d'exposition sans danger est :
→S'entraîner et expérimenter
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