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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 compressions et dilatations successives du milieu matériel (air, eau, solide), mais pas dans le vide. La vitesse du son dans l'air est d'environ $340\ \mathrm{m/s}$ à $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ (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 $100\ \mathrm{Hz}$), un son aigu une fréquence élevée (quelques milliers de $\mathrm{Hz}$). L'oreille humaine perçoit les sons entre $20\ \mathrm{Hz}$ et $20\,000\ \mathrm{Hz}$. La relation $v = \lambda\,f$ relie la vitesse, la longueur d'onde et la fréquence, soit $\lambda = \dfrac{v}{f}$. L'intensité sonore $I$ (en $\mathrm{W/m^2}$) mesure la puissance transportée par unité de surface. Le niveau d'intensité sonore $L = 10\,\log\!\left(\dfrac{I}{I_0}\right)$, exprimé en décibels ($\mathrm{dB}$), avec $I_0 = 1{,}0 \times 10^{-12}\ \mathrm{W/m^2}$ (seuil d'audibilité) ; le seuil de douleur se situe vers $120\ \mathrm{dB}$. 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).

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Questions fréquentes

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 $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ est d'environ :
Réponse :
$340\ \mathrm{m/s}$
La vitesse du son dans l'air à $20\,{}^\circ\mathrm{C}$ est d'environ $340\ \mathrm{m/s}$. Elle est beaucoup plus faible que la vitesse de la lumière ($3 \times 10^{8}\ \mathrm{m/s}$), ce qui explique le décalage entre l'éclair et le tonnerre.
L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre :
Réponse :
$20\ \mathrm{Hz}$ et $20\,000\ \mathrm{Hz}$
Le domaine audible pour l'oreille humaine s'étend de $20\ \mathrm{Hz}$ à $20\,000\ \mathrm{Hz}$ ($20\ \mathrm{kHz}$). En dessous de $20\ \mathrm{Hz}$, ce sont les infrasons ; au-dessus de $20\ \mathrm{kHz}$, les ultrasons.
Le niveau d'intensité sonore $L = 10\,\log\!\left(\dfrac{I}{I_0}\right)$. Si $I = I_0$, alors $L$ vaut :
Réponse :
$0\ \mathrm{dB}$
(Formule vue en Terminale.) Si $I = I_0$, alors $\dfrac{I}{I_0} = 1$ et $\log(1) = 0$, donc $L = 10 \times 0 = 0\ \mathrm{dB}$. C'est le seuil d'audibilité, le son le plus faible perceptible par l'oreille humaine.