Physique-Chimie — Seconde
Les ondes sonores — Seconde Physique
Nature du son, vitesse, fréquence, période, longueur d'onde et niveau sonore.
Par ProfBot
Les ondes sonores — Seconde Physique
🎯 Objectif : Comprendre la nature des ondes sonores et leurs caractéristiques.
1. Nature du son
Le son est une onde mécanique longitudinale : il résulte de la vibration d'un milieu (compression/dilatation alternées).
Le son nécessite un milieu matériel pour se propager (il ne se propage pas dans le vide).
Sources sonores : cordes vocales, haut-parleur, corde de guitare, membrane...
2. La célérité du son
La célérité (vitesse) du son dépend du milieu :
| Milieu | Célérité |
|---|---|
| Air (20°C) | ≈ 340 m/s |
| Eau (25°C) | ≈ 1500 m/s |
| Acier | ≈ 5100 m/s |
| Vide | Impossible |
💡 Le son va plus vite dans les solides que dans les liquides, plus vite dans les liquides que dans les gaz.
Application : Pour estimer la distance d'un orage :
d = v × t = 340 × t (en mètres)
t = durée entre l'éclair et le tonnerre (s)
3. Période et fréquence
Un son pur est une vibration périodique :
T = période (s) : durée d'un cycle complet
f = fréquence (Hz) : nombre de cycles par seconde
f = 1/T et T = 1/f
Fréquences remarquables :
- La (diapason) : 440 Hz
- Voix humaine : 80 à 1100 Hz
- Infra-sons : f < 20 Hz (non audibles, éléphants, baleines)
- Ultrasons : f > 20 000 Hz (chauves-souris, échographie)
Domaine audible humain : 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz)
4. Longueur d'onde
La longueur d'onde λ est la distance parcourue par l'onde pendant une période :
λ = v × T = v / f
λ : longueur d'onde (m)
v : célérité (m/s)
T : période (s)
f : fréquence (Hz)
Exemple : La de 440 Hz dans l'air :
λ = 340 / 440 ≈ 0,77 m
5. Hauteur et timbre
Hauteur (fréquence) :
- Son grave → faible fréquence
- Son aigu → haute fréquence
Timbre : Le timbre est ce qui différencie deux instruments jouant la même note : il dépend de la forme du signal (harmoniques).
Amplitude : L'amplitude est liée au volume (intensité sonore).
6. Niveau sonore et décibels
L = 10 × log(I / I₀) [dB]
I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d'audition)
I : intensité sonore (W/m²)
| Source | Niveau (dB) |
|---|---|
| Seuil d'audition | 0 dB |
| Chuchotement | 20 dB |
| Conversation | 60 dB |
| Tondeuse | 90 dB |
| Concert rock | 110 dB |
| Avion au décollage | 120 dB (seuil de douleur) |
⚠️ L'échelle est logarithmique : +10 dB → intensité ×10
7. Exemple numérique
Un haut-parleur émet un son de fréquence 680 Hz.
T = 1/f = 1/680 ≈ 1,47 × 10⁻³ s = 1,47 ms
λ = 340 / 680 = 0,5 m
📝 Exercices
- Un son a une période T = 2,5 ms. Calculer sa fréquence et sa longueur d'onde dans l'air.
- Un éclair est vu 4 s avant le tonnerre. À quelle distance est l'orage ?
- Un chien perçoit des ultrasons jusqu'à 45 000 Hz. Calculer λ pour 45 kHz dans l'air.
- Une source émet une intensité I = 10⁻⁶ W/m². Calculer le niveau sonore en dB.
✅ À retenir
f = 1/T λ = v/f = v·T
v_son ≈ 340 m/s dans l'air
Domaine audible : 20 Hz – 20 kHz
Grave = basse fréquence Aigu = haute fréquence
L = 10·log(I/I₀) [dB]