Ondes sonores, ultrasons et audition
Fréquence, période et vitesse de propagation, ultrasons et échographie (mesure d'une profondeur par écho), audiogramme et pertes auditives, niveau d'intensité sonore et protection.
1. Caractériser une onde sonore
Définition
Une onde sonore est une vibration qui se propage dans un milieu matériel. Sa fréquence $f$ (Hz) est l'inverse de la période : $f = \dfrac{1}{T}$. Sa vitesse dépend du milieu : environ $340$ m/s dans l'air, $1\,500$ m/s dans l'eau et $1\,540$ m/s dans les tissus mous. La longueur d'onde vaut $\lambda = \dfrac{v}{f}$.
Propriété · Domaines
Infrasons : $f \lt 20$ Hz ; sons audibles : de $20$ Hz à $20$ kHz ; ultrasons : $f \gt 20$ kHz. L'échographie médicale utilise des ultrasons de $2$ à $15$ MHz.
2. L'échographie
Propriété · Mesure par écho
Si l'écho revient au bout d'une durée $\Delta t$, l'onde a fait un aller-retour : $d = \dfrac{v \times \Delta t}{2}$. Exemple : $\Delta t = 65\ \mu\text{s}$ dans les tissus : $d = \dfrac{1\,540 \times 65 \times 10^{-6}}{2} \approx 5$ cm.
Expérience · Mesurer une distance par écho ultrasonore
3. Audition et protection
Propriété · Audiogramme
L'audiogramme indique, pour chaque fréquence, la perte auditive en dB par rapport à une audition normale. La presbyacousie (liée à l'âge) touche d'abord les aigus. Le niveau sonore $L$ (dB) est dangereux au-delà de $85$ dB pour une exposition prolongée ; doubler la distance à une source diminue $L$ d'environ $6$ dB.
Attention · Communiquer avec une personne malentendante
Se placer face à elle, parler distinctement sans crier, dans un environnement calme ; vérifier les piles des appareils auditifs.
S'entraîner
Exercices corrigés
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Période et fréquence
★☆☆Un son a une période de $2$ ms. Fréquence ?
Son audible ?
★☆☆Les sons de $15$ Hz, $440$ Hz et $3$ MHz sont-ils audibles ?
Longueur d'onde
★★☆Longueur d'onde d'un ultrason de $5$ MHz dans les tissus ($1\,540$ m/s) ?
Profondeur d'un organe
★★☆Un écho revient $130\ \mu\text{s}$ après l'émission. Profondeur de l'organe ?
Durée de l'écho
★★☆Un organe est à $6$ cm. Au bout de combien de temps revient l'écho ?
Gel d'échographie
★★☆Pourquoi applique-t-on un gel entre la sonde et la peau ?
Expérience du cours
★★☆Dans l'expérience, quel retard mesurerait-on avec la plaque à $1{,}0$ m ?
Vitesse dans l'eau
★☆☆Un son parcourt $3$ km dans l'eau en $2$ s. Vitesse ?
Sonar
★★☆Un sondeur de bateau reçoit l'écho du fond $0{,}04$ s après l'émission. Profondeur ($v = 1\,500$ m/s) ?
Lire l'audiogramme
★☆☆D'après l'audiogramme du cours, quelle est la perte à $4\,000$ Hz ?
Presbyacousie
★★☆Quels sons la personne de l'audiogramme entend-elle le moins bien ? Conséquence dans la vie quotidienne ?
Seuil de danger
★☆☆À partir de quel niveau sonore une exposition prolongée est-elle dangereuse ?
Distance et niveau sonore
★★☆À $1$ m d'un aspirateur on mesure $78$ dB. Niveau à $2$ m ? à $4$ m ?
Deux sources identiques
★★☆Deux enfants crient chacun à $85$ dB. Niveau total ?
Protection en crèche
★☆☆Citer deux moyens de réduire le bruit dans une salle de crèche.
Communication
★☆☆Donner trois conseils pour parler à une personne malentendante.
Nature de l'onde
★☆☆Le son se propage-t-il dans le vide ? Et les ultrasons ?
Fréquence de l'échographe
★★☆Pourquoi utilise-t-on des fréquences élevées (plusieurs MHz) en échographie ?
Calcul d'épaisseur
★★★Deux échos reviennent à $40\ \mu\text{s}$ et $66\ \mu\text{s}$ (faces avant et arrière d'un organe). Épaisseur de l'organe ?
Vrai ou faux
★★☆a) Les ultrasons ont une fréquence supérieure à $20$ kHz. b) $d = v \times \Delta t$ pour un écho. c) La presbyacousie touche d'abord les graves.
Vérifier
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