Physique-Chimie — Seconde
Ondes sonores et acoustique — Seconde Physique-Chimie
Nature du son, fréquence, hauteur, timbre, intensité sonore et pollution acoustique.
Par ProfBot
Ondes sonores et acoustique — Seconde Physique-Chimie
🎯 Objectif : Comprendre la nature du son et ses caractéristiques physiques.
1. Production et propagation du son
Le son est une onde mécanique produite par la vibration d'un objet.
Propagation :
- Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager
- Dans le vide : le son ne se propage pas
- Plus le milieu est dense, plus le son va vite
Célérité du son :
Air (20°C) : 340 m/s
Eau : 1500 m/s
Acier : 5000 m/s
2. Propriétés d'une onde sonore
T = période (s) f = fréquence (Hz) = 1/T
λ = longueur d'onde (m) = v × T = v/f
Le son est une onde longitudinale : les particules vibrent dans la même direction que la propagation.
3. Hauteur d'un son
La hauteur d'un son (grave ou aigu) est liée à sa fréquence :
- Son grave → fréquence basse
- Son aigu → fréquence élevée
Domaines de fréquence :
f < 20 Hz : infrasons (inaudibles — séismes, éléphants)
20 ≤ f ≤ 20 000 Hz : zone audible par l'homme
f > 20 000 Hz : ultrasons (inaudibles — chauves-souris, médecine)
Note musicale La : f = 440 Hz (référence)
4. Intensité et décibels
L'intensité sonore I mesure la puissance du son par unité de surface.
Niveau sonore : L = 10 × log(I/I₀) [en décibels, dB]
I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d'audibilité)
| Situation | Niveau sonore |
|---|---|
| Silence absolu | 0 dB |
| Conversation normale | 60 dB |
| Aspirateur | 70 dB |
| Concert rock | 110 dB |
| Seuil de douleur | 120 dB |
⚠️ L'échelle est logarithmique : +10 dB = intensité × 10 !
5. Timbre d'un son
Deux instruments jouant la même note ont une hauteur identique mais un timbre différent.
Le timbre est lié à la forme de la courbe du signal sonore → présence de partiels (harmoniques) à différentes intensités.
6. Enregistrement et représentation
Oscilloscope : montre la tension U en fonction du temps → représentation temporelle du signal
Sur un oscilloscope on lit :
- La période T (durée d'un cycle)
- L'amplitude (demi-hauteur du signal)
Spectre de fréquences : représentation de l'amplitude en fonction de la fréquence → permet de voir les harmoniques
7. Pollution acoustique
Les bruits excessifs sont nuisibles :
- Exposition > 85 dB pendant 8h → risque de surdité
- Exposition > 120 dB → dommages immédiats
Protection : bouchons d'oreilles, casques anti-bruit, isolation acoustique des bâtiments.
Effet Doppler : quand une source sonore se rapproche, la fréquence perçue est plus élevée (son plus aigu) ; quand elle s'éloigne, plus basse (son plus grave).
8. Applications
- Sonar : localisation sous-marine par ultrasons
- Échographie : imagerie médicale
- Contrôle non destructif : détecter des fissures dans des matériaux
- Navigation des chauves-souris : écholocalisation
📝 Exercices
- Son de 440 Hz dans l'air (v=340 m/s). Calculer T et λ.
- Sur oscilloscope : une période occupe 5 carrés, base de temps = 2 ms/div. Calculer T et f.
- Bruit à I = 10⁻⁸ W/m². Calculer le niveau sonore en dB.
- Un sonar émet un signal et reçoit l'écho après 0,3 s. Profondeur de l'obstacle ?
- Si on double l'intensité sonore, de combien augmente le niveau en dB ?
✅ À retenir
Son : onde mécanique, besoin d'un milieu
v = λf = λ/T T = 1/f
Audible : 20 Hz à 20 kHz
Grave ↔ f basse Aigu ↔ f haute
Niveau sonore : L = 10 log(I/I₀)
Echelle logarithmique : +10 dB ↔ ×10 en intensité