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 $440\ \mathrm{Hz}$ (le la₃ du diapason) en fait un son de hauteur moyenne, ni très grave ni très aigu.
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.
Sur le signal, la période $T$ (flèche horizontale) donne la fréquence $f = \dfrac{1}{T}$ et la hauteur ; l'amplitude (flèche verticale) donne l'intensité.
- 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
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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.