Le son
Propagation, vitesse, fréquence et niveau sonore.
1. Production et propagation
Propriété
Un son est produit par la vibration d'un objet. Il se propage de proche en proche dans un milieu matériel (air, eau, solide), jamais dans le vide.
Propriété · Vitesse du son
Dans l'air, le son se propage à environ $340$ m/s. Il est plus rapide dans l'eau (environ $1\,500$ m/s) et dans les solides (environ $5\,000$ m/s dans l'acier).
2. La fréquence
Définition · Fréquence
La fréquence $f$ est le nombre de vibrations par seconde. Unité : le hertz (Hz). Elle est liée à la période $T$ (en s) par :
$$f = \dfrac{1}{T}$$- Un son aigu a une fréquence élevée ; un son grave a une fréquence basse.
- L'oreille humaine perçoit les sons de $20$ Hz à $20\,000$ Hz. En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons.
3. Le niveau sonore
Définition
Le niveau d'intensité sonore se mesure en décibels (dB) avec un sonomètre.
Attention · Protéger son audition
Au-delà de $85$ dB, une exposition prolongée est dangereuse. À partir de $120$ dB, le son devient douloureux (seuil de douleur).
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Exercices corrigés
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L'écho
★★☆Face à une falaise, on crie et on entend l'écho $2$ s plus tard. À quelle distance est la falaise ? (vitesse du son : $340$ m/s)
Fréquence et période
★★☆Un son a une période de $2$ ms. Calculer sa fréquence. Est-il audible ?
Le sonar
★★★Un sonar émet des ultrasons vers le fond marin et reçoit l'écho au bout de $0{,}4$ s. Le son se propage à $1\,500$ m/s dans l'eau. Quelle est la profondeur ?
Source sonore
★☆☆Qu'est-ce qui vibre pour produire le son : d'un violon ? d'un haut-parleur ? d'une flûte ?
Milieu de propagation
★☆☆Dans quels milieux le son peut-il se propager : air, eau, acier, vide ?
Orage
★☆☆On entend le tonnerre $4$ s après l'éclair. À quelle distance est l'orage ?
Durée de propagation
★★☆Combien de temps met le son pour parcourir $1$ km dans l'air ? dans l'eau ? dans l'acier ?
Rail de train
★★☆Pourquoi entend-on parfois un train arriver en collant l'oreille contre un rail, avant de l'entendre dans l'air ?
Période
★☆☆Un diapason vibre à $440$ Hz. Combien de vibrations effectue-t-il en $1$ s ? en $5$ s ?
Calculer une période
★★☆Calculer la période d'un son de $250$ Hz, en s puis en ms.
Lire un oscillogramme
★★☆Sur l'écran d'un oscilloscope, $3$ périodes occupent $6$ ms. Calculer la période puis la fréquence.
Audible ?
★☆☆Classer en infrasons, sons audibles ou ultrasons : $10$ Hz ; $440$ Hz ; $15\,000$ Hz ; $40\,000$ Hz.
Chauves-souris
★★☆Les chauves-souris émettent des sons de $50\,000$ Hz. Pourquoi ne les entend-on pas ? Comment les utilisent-elles ?
Échographie
★★☆Pourquoi utilise-t-on des ultrasons en échographie médicale ?
Niveau sonore
★☆☆Classer du moins fort au plus fort : conversation ($60$ dB) ; concert ($110$ dB) ; chuchotement ($30$ dB) ; rue animée ($80$ dB).
Protection
★★☆Au-delà de quel niveau sonore une exposition prolongée est-elle dangereuse ? Citer deux moyens de se protéger.
Écho et distance
★★★Un randonneur crie face à une paroi située à $510$ m. Au bout de combien de temps entend-il l'écho ?
Vitesse du son mesurée
★★★Deux micros placés à $17$ m l'un de l'autre enregistrent un claquement avec un décalage de $0{,}05$ s. Calculer la vitesse du son.
Grave ou aigu ?
★★☆Sur une guitare, on raccourcit la partie vibrante d'une corde en appuyant sur une case. Le son devient-il plus grave ou plus aigu ? Pourquoi ?
Son dans l'espace
★★☆Deux astronautes en sortie dans l'espace peuvent-ils se parler directement ? Comment communiquent-ils ?
Vrai ou faux
★★☆a) Le son est plus rapide dans l'eau que dans l'air. b) Un son de $30\,000$ Hz est audible par l'homme. c) Une période de $0{,}01$ s correspond à $100$ Hz.
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