Physique-Chimie — Ondes et signaux
Émission et perception du son
Fréquence, amplitude, vitesse du son, son pur et complexe
Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub
Résumé
Quand on pince une corde de guitare, elle **vibre** et fait vibrer l'air autour d'elle : c'est un **son**, une **onde mécanique** qui a besoin d'un milieu matériel pour voyager — d'où le silence absolu dans le **vide**. Deux grandeurs décrivent ce que l'on entend. La **fréquence** $f$, en hertz ($\mathrm{Hz}$), fixe la **hauteur** : un son aigu a une fréquence élevée, un son grave une fréquence basse, et l'oreille humaine ne perçoit qu'entre $20\ \mathrm{Hz}$ et $20\,000\ \mathrm{Hz}$. L'**amplitude** de la vibration, elle, fixe l'**intensité** (le volume), que l'on mesure en **décibels** ($\mathrm{dB}$). Enfin le son se **propage** à une vitesse $v \approx 340\ \mathrm{m/s}$ dans l'air, plus vite encore dans l'eau et les solides. Période, fréquence, amplitude, vitesse : quatre clés pour décrire n'importe quel son.
Un son naît toujours de la **vibration** d'un objet : corde, membrane, colonne d'air, cordes vocales. Cette vibration se transmet de proche en proche dans la matière : c'est une **onde mécanique**. Contrairement à la lumière, le son a **besoin d'un milieu matériel** pour se propager.
- Un son est produit par un objet **qui vibre** : corde de guitare, membrane de haut-parleur, cordes vocales.
- Le son est une **onde mécanique** : il se propage dans un **milieu matériel** (air, eau, solide).
- Le son **ne se propage pas dans le vide** (pas de matière à faire vibrer).
- Dans l'air, l'onde sonore est une succession de **compressions** et de **dilatations** : c'est une onde **longitudinale** (l'air vibre dans le sens de la propagation).
- L'onde transporte de l'**énergie**, mais pas de matière : les molécules d'air ne font que **vibrer** sur place.
Exemple
Sous une cloche à vide, on place un réveil qui sonne. Tant qu'il y a de l'air, on entend la sonnerie. À mesure que la pompe **retire l'air**, le son faiblit puis **disparaît**, alors qu'on voit toujours le marteau frapper. Conclusion : sans matière, pas de propagation du son.
Piège à éviter
Ne confonds pas son et lumière. La **lumière** est une onde électromagnétique qui traverse le **vide** (c'est pourquoi on voit le Soleil). Le **son**, lui, est mécanique : dans l'espace, aucune explosion ne s'entend.
La **hauteur** d'un son — le fait qu'il soit aigu ou grave — dépend de sa **fréquence** $f$, c'est-à-dire du nombre de vibrations par seconde. La **période** $T$ est la durée d'une seule vibration. Les deux sont liées par une relation simple, et l'oreille humaine n'est sensible qu'à une plage limitée de fréquences.
- La **fréquence** $f$ est le nombre de vibrations par seconde, en hertz ($\mathrm{Hz}$).
- La **période** $T$ est la durée d'une vibration : $T = \dfrac{1}{f}$ (en secondes, $\mathrm{s}$), et réciproquement $f = \dfrac{1}{T}$.
- **Son aigu** = fréquence **élevée** ; **son grave** = fréquence **basse**.
- **Domaine audible** de l'oreille humaine : de $20\ \mathrm{Hz}$ à $20\,000\ \mathrm{Hz}$ (soit $20\ \mathrm{kHz}$).
- En dessous de $20\ \mathrm{Hz}$ : **infrasons** ; au-dessus de $20\,000\ \mathrm{Hz}$ : **ultrasons** (inaudibles pour l'humain).
- Un **diapason** émet un la₃ de référence à $440\ \mathrm{Hz}$.
Exemple
Un son a une période $T = 2{,}5\ \mathrm{ms} = 2{,}5 \times 10^{-3}\ \mathrm{s}$. Sa fréquence vaut $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{2{,}5 \times 10^{-3}} = 400\ \mathrm{Hz}$. Comme $20\ \mathrm{Hz} < 400\ \mathrm{Hz} < 20\,000\ \mathrm{Hz}$, ce son est **audible** ; sa fréquence proche de $440\ \mathrm{Hz}$ en fait un son assez **grave** dans le registre courant.
Piège à éviter
La hauteur dépend de la **fréquence**, pas de l'amplitude. Augmenter le volume (l'amplitude) ne rend pas un son plus aigu : un son fort peut être grave, un son faible peut être aigu. Ne confonds pas **hauteur** (fréquence) et **intensité** (amplitude).
L'**amplitude** d'une onde sonore mesure l'ampleur de la vibration. Elle détermine l'**intensité** du son, c'est-à-dire son **volume** : un son fort correspond à une grande amplitude. Pour quantifier ce volume, on utilise une échelle particulière, le **niveau sonore** en décibels.
- L'**amplitude** de la vibration fixe l'**intensité sonore** (le volume).
- **Grande amplitude** $\rightarrow$ son **fort** ; **petite amplitude** $\rightarrow$ son **faible**.
- Le **niveau sonore** se mesure en **décibels** ($\mathrm{dB}$) à l'aide d'un **sonomètre**.
- Repères : seuil d'audibilité $\approx 0\ \mathrm{dB}$ ; conversation normale $\approx 60\ \mathrm{dB}$ ; seuil de douleur $\approx 120\ \mathrm{dB}$.
- Une exposition prolongée au-dessus de $85\ \mathrm{dB}$ peut entraîner des **lésions auditives** définitives.
Exemple
Sur un oscilloscope, on visualise deux sons de **même fréquence**. Le premier a une amplitude deux fois plus grande que le second : il est perçu **plus fort**. Si le sonomètre affiche $60\ \mathrm{dB}$ pour une conversation et $90\ \mathrm{dB}$ pour une tondeuse, la tondeuse dépasse le seuil de $85\ \mathrm{dB}$ : une exposition prolongée devient risquée pour l'oreille.
Piège à éviter
Le niveau sonore en décibels n'est **pas proportionnel** à l'amplitude : l'échelle est **logarithmique**. Passer de $60$ à $90\ \mathrm{dB}$ ne double pas le volume, cela correspond à une intensité bien plus grande. Au lycée, retiens surtout le **sens** : plus de $\mathrm{dB}$ = son plus fort.
Le son met un certain **temps** à parcourir une distance : c'est pourquoi on entend le tonnerre **après** avoir vu l'éclair. Cette vitesse de propagation dépend du **milieu** traversé et, dans l'air, de la **température**. On la calcule avec une relation simple entre distance et durée.
- Relation : $v = \dfrac{d}{\Delta t}$, avec $v$ en $\mathrm{m/s}$, la distance $d$ en $\mathrm{m}$ et la durée $\Delta t$ en $\mathrm{s}$.
- Vitesse du son dans l'**air** à $20\ \mathrm{°C}$ : $v \approx 340\ \mathrm{m/s}$ (environ $1\,224\ \mathrm{km/h}$).
- Le son va **plus vite** dans les **liquides** ($\approx 1\,500\ \mathrm{m/s}$ dans l'eau) et les **solides** ($\approx 5\,000\ \mathrm{m/s}$ dans l'acier).
- Dans l'air, la vitesse du son **augmente** avec la **température**.
- La vitesse du son est très **inférieure** à celle de la lumière ($\approx 300\,000\ \mathrm{km/s}$) : d'où le décalage éclair/tonnerre.
Exemple
On voit un éclair et on entend le tonnerre $\Delta t = 6\ \mathrm{s}$ plus tard. Avec $v \approx 340\ \mathrm{m/s}$, la distance de l'orage vaut $d = v \times \Delta t = 340 \times 6 = 2\,040\ \mathrm{m}$, soit environ $2\ \mathrm{km}$. (La lumière, quasi instantanée, sert de top de départ.)
Piège à éviter
Attention aux **unités** : dans $v = \dfrac{d}{\Delta t}$, la distance doit être en mètres et la durée en secondes pour obtenir des $\mathrm{m/s}$. Convertis $6\ \mathrm{ms}$ en $6 \times 10^{-3}\ \mathrm{s}$ et les $\mathrm{km}$ en $\mathrm{m}$ avant de calculer.
Quiz - Émission et perception du son
10 questions
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Questions fréquentes
Les points clés à retenir sur Émission et perception du son, extraits du quiz de révision.
Le son est une onde :
Réponse :
Mécanique
Le son est une onde **mécanique** : il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide) pour se propager, contrairement à la lumière qui est électromagnétique.
Dans lequel de ces milieux le son ne peut-il PAS se propager ?
Réponse :
Le vide
Le son est une onde mécanique : sans matière à faire vibrer, il ne peut pas se propager. Dans le **vide**, il n'y a pas de propagation du son.
La fréquence d'un son se mesure en :
Réponse :
Hertz ($\mathrm{Hz}$)
La fréquence $f$ se mesure en **hertz** ($\mathrm{Hz}$) : c'est le nombre de vibrations par seconde. Les $\mathrm{m/s}$ mesurent une vitesse, les $\mathrm{dB}$ un niveau sonore.
Un son aigu se caractérise par :
Réponse :
Une fréquence élevée
La **hauteur** d'un son dépend de sa fréquence : un son **aigu** a une fréquence **élevée**, un son grave une fréquence basse. L'amplitude, elle, concerne le volume.