Physique-Chimie (Spé) — Ondes et signaux
Ondes sonores
Son onde mécanique, vitesse du son, fréquence, niveau sonore, effet Doppler, analyse spectrale
Résumé synthétiqueFiche en 5 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Le son est une onde mécanique longitudinale : il se propage par compression et dilatation successives du milieu matériel (air, eau, solide), mais pas dans le vide. La vitesse du son dans l'air est d'environ 340 m/s à 20 °C (elle augmente avec la température et est plus grande dans les liquides et les solides). Un son est caractérisé par sa fréquence f (en hertz), qui détermine la hauteur perçue : un son grave a une fréquence basse (autour de 100 Hz) et un son aigu une fréquence élevée (quelques milliers de Hz). L'oreille humaine perçoit les sons entre 20 Hz et 20 000 Hz. La relation v = λ × f relie la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence. L'intensité sonore I (en W/m²) mesure la puissance transportée par unité de surface. Le niveau d'intensité sonore L = 10 × log(I/I₀), exprimé en décibels (dB), avec I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d'audibilité). Le seuil de douleur se situe vers 120 dB. L'effet Doppler est la modification de la fréquence perçue quand la source et l'observateur sont en mouvement relatif : le son paraît plus aigu quand la source se rapproche et plus grave quand elle s'éloigne (comme une ambulance qui passe).
Le son est une vibration qui se propage dans la matière : sans air, pas de son. C'est pourquoi dans l'espace, personne ne vous entend crier. Comprendre la nature du son, c'est la base de l'acoustique.
- Le son est une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel pour se propager (air, eau, solide)
- Le son ne se propage PAS dans le vide (pas de son dans l'espace, contrairement à ce que montrent les films)
- C'est une onde longitudinale : les vibrations des particules du milieu sont parallèles à la direction de propagation
- Vitesse du son : v_air ≈ 340 m/s (à 20 °C), v_eau ≈ 1500 m/s, v_acier ≈ 5000 m/s
- La vitesse du son dans l'air augmente avec la température : v ≈ 331 + 0,6 × T (en °C)
- Le son se propage plus vite dans les milieux denses et rigides (solides > liquides > gaz)
- L'oreille humaine perçoit les sons de 20 Hz (infrabasses) à 20 000 Hz (ultrasons au-delà)
- En dessous de 20 Hz : infrasons (inaudibles). Au-dessus de 20 kHz : ultrasons (échographie médicale)
Exemple
On frappe dans ses mains et on entend l'écho 0,6 s plus tard. Distance parcourue par le son (aller-retour) : d = v × t = 340 × 0,6 = 204 m. La paroi réfléchissante est donc à 204/2 = 102 m.
Piège à éviter
Le son ne se propage PAS dans le vide. Dans les films de science-fiction, les explosions dans l'espace ne devraient produire aucun son. C'est une erreur classique !
Trois grandeurs suffisent pour décrire un son : la fréquence (grave ou aigu), l'amplitude (fort ou faible) et le timbre (piano ou violon). Savoir les calculer et les relier est essentiel.
- Fréquence f (en Hz) : nombre de vibrations par seconde. Détermine la hauteur du son (grave/aigu)
- Période T = 1/f (en secondes) : durée d'une vibration complète
- Longueur d'onde λ = v / f = v × T : distance parcourue par l'onde pendant une période
- Son grave : fréquence basse (ex : 100 Hz), grande longueur d'onde. Son aigu : fréquence haute (ex : 5000 Hz), petite longueur d'onde
- Le la₃ du diapason : f = 440 Hz → λ = 340/440 ≈ 0,77 m
- L'amplitude de l'onde détermine le volume (fort/faible), pas la fréquence
- Le timbre d'un son dépend de la présence d'harmoniques (fréquences multiples de la fondamentale)
- Deux instruments jouant la même note (même fréquence fondamentale) ont des timbres différents car leurs harmoniques diffèrent
Exemple
Un diapason La₃ vibre à f = 440 Hz dans l'air (v = 340 m/s). Période : T = 1/440 = 2,27 × 10⁻³ s ≈ 2,3 ms. Longueur d'onde : λ = v/f = 340/440 = 0,773 m ≈ 77 cm. Ce même son dans l'eau (v = 1500 m/s) aurait λ = 1500/440 = 3,41 m (même fréquence, mais λ plus grande car v plus grande).
Piège à éviter
La fréquence d'un son ne change PAS quand il passe d'un milieu à un autre (air → eau). Seules la longueur d'onde et la vitesse changent. Erreur fréquente : croire que la fréquence change.
L'intensité sonore se mesure en décibels, une échelle logarithmique. Cela signifie que +10 dB correspond à une intensité 10 fois plus grande, pas juste un peu plus fort. Cette échelle reflète la perception de l'oreille humaine.
- Intensité sonore I : puissance acoustique reçue par unité de surface, en W/m²
- Niveau d'intensité sonore : L = 10 × log₁₀(I / I₀), en décibels (dB)
- I₀ = 10⁻¹² W/m² : seuil d'audibilité (le son le plus faible perceptible à 1000 Hz)
- Seuil de douleur : environ 120 dB (soit I = 1 W/m²). Risque de lésions irréversibles au-delà
- Échelle : 0 dB (seuil d'audibilité), 30 dB (chuchotement), 60 dB (conversation), 80 dB (rue bruyante), 110 dB (concert rock), 130 dB (avion au décollage)
- L'échelle des dB est logarithmique : +10 dB = intensité multipliée par 10, +3 dB ≈ intensité doublée
- Attention : les dB ne s'additionnent pas simplement. Deux sources de 60 dB chacune ne donnent pas 120 dB mais environ 63 dB
- Protection auditive recommandée à partir de 85 dB d'exposition prolongée
Exemple
Un concert produit un niveau sonore L = 100 dB. Calculons l'intensité : L = 10 log(I/I₀) → 100 = 10 log(I/10⁻¹²) → log(I/10⁻¹²) = 10 → I/10⁻¹² = 10¹⁰ → I = 10⁻² W/m² = 0,01 W/m². C'est 10 milliards de fois le seuil d'audibilité !
Piège à éviter
Les décibels ne s'additionnent PAS comme des nombres ordinaires. Deux sources de 60 dB chacune ne donnent pas 120 dB, mais environ 63 dB (car log(2) ≈ 0,3, donc +3 dB). C'est le piège classique de l'échelle logarithmique.
L'effet Doppler est ce phénomène que vous connaissez déjà intuitivement : le son d'une ambulance qui passe est plus aigu quand elle approche et plus grave quand elle s'éloigne. La physique derrière est simple mais ses applications sont immenses.
- L'effet Doppler est la modification de la fréquence perçue quand il y a un mouvement relatif entre la source et l'observateur
- Source qui se rapproche → fréquence perçue plus élevée (son plus aigu)
- Source qui s'éloigne → fréquence perçue plus basse (son plus grave)
- Exemple classique : le son d'une ambulance qui passe → aigu quand elle approche, grave quand elle s'éloigne
- Formule simplifiée (source en mouvement, observateur fixe) : f_perçue = f_source × v_son / (v_son ± v_source)
- Signe − au dénominateur si la source se rapproche (f_perçue > f_source), + si elle s'éloigne
- L'effet Doppler existe aussi pour la lumière : décalage vers le rouge (éloignement) ou vers le bleu (rapprochement)
- Application : radar de vitesse (effet Doppler sur les ondes électromagnétiques), échographie Doppler (mesure de la vitesse du sang)
Exemple
Une ambulance émet un son à f = 800 Hz et roule vers vous à v_source = 30 m/s (108 km/h). f_perçue = 800 × 340/(340 − 30) = 800 × 340/310 ≈ 877 Hz (plus aigu). Quand elle s'éloigne : f_perçue = 800 × 340/(340 + 30) = 800 × 340/370 ≈ 735 Hz (plus grave). Écart : 877 − 735 = 142 Hz.
Piège à éviter
Dans la formule Doppler, attention au signe : c'est « − » quand la source se RAPPROCHE (fréquence augmente) et « + » quand elle S'ÉLOIGNE (fréquence diminue). Confondre les deux est l'erreur la plus courante.
Analyser le spectre d'un son, c'est décomposer ce son en ses fréquences constitutives. Un son pur n'a qu'une fréquence, mais un son musical est toujours un mélange de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques.
- Un son pur est un signal sinusoïdal (une seule fréquence) → rare en pratique (diapason, générateur)
- Un son complexe est la somme de plusieurs fréquences : la fondamentale f₁ et ses harmoniques (2f₁, 3f₁, 4f₁...)
- Le spectre en fréquences d'un son montre les amplitudes de chaque harmonique → caractérise le timbre
- Un bruit est un son dont le spectre est continu (toutes les fréquences sont présentes, sans structure régulière)
- Le spectre d'un son musical présente des pics à des fréquences multiples de la fondamentale (raies discrètes)
- Plus un son est riche en harmoniques, plus son timbre est complexe (ex : violon vs flûte)
Exemple
Un La₃ joué par un violon a pour fondamentale f₁ = 440 Hz. Le spectre montre des harmoniques à f₂ = 880 Hz, f₃ = 1320 Hz, f₄ = 1760 Hz, avec des amplitudes décroissantes. Un diapason au même La₃ ne montre qu'un seul pic à 440 Hz (son quasi pur). La différence de timbre vient de ces harmoniques.
Piège à éviter
Ne pas confondre hauteur et volume d'un son. La hauteur (grave/aigu) dépend de la fréquence. Le volume (fort/faible) dépend de l'amplitude. Ce sont deux grandeurs indépendantes.
Quiz - Ondes sonores
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Les points clés à retenir sur Ondes sonores, extraits du quiz de révision.
Le son est une onde :
Réponse : Mécanique longitudinale
Le son est une onde mécanique (il a besoin d'un milieu matériel) et longitudinale (les vibrations sont parallèles à la direction de propagation, par compressions et dilatations successives).
La vitesse du son dans l'air à 20 °C est d'environ :
Réponse : 340 m/s
La vitesse du son dans l'air à 20 °C est d'environ 340 m/s. Elle est beaucoup plus faible que la vitesse de la lumière (3 × 10⁸ m/s), ce qui explique le décalage entre l'éclair et le tonnerre.
L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre :
Réponse : 20 Hz et 20 000 Hz
Le domaine audible pour l'oreille humaine s'étend de 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz). En dessous de 20 Hz, ce sont les infrasons ; au-dessus de 20 kHz, les ultrasons.
Le niveau d'intensité sonore L = 10 × log(I/I₀). Si I = I₀, alors L vaut :
Réponse : 0 dB
Si I = I₀, alors I/I₀ = 1 et log(1) = 0, donc L = 10 × 0 = 0 dB. C'est le seuil d'audibilité, le son le plus faible perceptible par l'oreille humaine.