⚛ Physique-Chimie · Physique Seconde Générale · Chapitre 4

Signaux sonores

Émission et propagation d'un son, vitesse du son, signal périodique, période, fréquence, hauteur, timbre et niveau d'intensité sonore.

1. Émission et propagation

Définition

Un son est produit par un objet qui vibre (corde, membrane, cordes vocales). La vibration se transmet de proche en proche aux couches d'air voisines : c'est une onde mécanique. Elle a besoin d'un milieu matériel (gaz, liquide, solide) : le son ne se propage pas dans le vide.

Expérience · Le son a-t-il besoin d'air ?

Matérielcloche à vide, pompe, sonnerie ou téléphone qui sonne.

ProtocoleOn place la sonnerie sous la cloche et on pompe progressivement l'air.

La cloche à vide : quand on retire l'air, on n'entend presque plus la sonnerie.

ObservationLe son s'atténue fortement à mesure que l'air est retiré, alors qu'on voit toujours la sonnerie vibrer.

InterprétationSans milieu matériel, le son ne peut pas se propager. Dans l'espace, il règne un silence total.

Propriété · Vitesse du son

Dans l'air à $20\,{}^\circ\text{C}$ : $v \approx 340$ m/s. Elle est plus grande dans les liquides (eau : $\approx 1\,500$ m/s) et dans les solides (acier : $\approx 5\,000$ m/s). On a $v = \dfrac{d}{\Delta t}$.

Expérience · Mesurer la vitesse du son

Matérieldeux micros reliés à une interface d'acquisition (ou un oscilloscope), un mètre ruban, un claquoir.

ProtocoleOn aligne le claquoir et les deux micros, distants de $d$. On produit un clap : l'acquisition enregistre le signal sur chaque micro. On mesure le décalage $\Delta t$ entre les deux signaux. On recommence pour plusieurs distances.

Le clap atteint le micro 2 avec un retard ?t.

ObservationPour $d = 1{,}70$ m, on mesure $\Delta t = 5{,}0$ ms. Le décalage est proportionnel à la distance.

Interprétation$v = \dfrac{1{,}70}{5{,}0 \times 10^{-3}} = 340$ m/s.

2. Signal périodique

Définition

Un signal sonore périodique se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers. La période $T$ (en s) est la durée d'un motif ; la fréquence $f$ (en Hz) est le nombre de motifs par seconde :

$$f = \dfrac{1}{T}$$

Signal sinusoïdal : la période T est la durée d'un motif complet.

Méthode · Mesurer une période sur un oscillogramme

On mesure la durée de plusieurs périodes (par exemple 5), puis on divise : c'est plus précis.

Propriété · Domaines de fréquences

L'oreille humaine perçoit les sons de $20$ Hz à $20\,000$ Hz environ. En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons (utilisés par les chauves-souris, l'échographie, le sonar).

3. Caractéristiques d'un son

La hauteur (grave / aigu) est liée à la fréquence du fondamental : plus $f$ est grande, plus le son est aigu.
Le timbre dépend de la forme du signal (des harmoniques) : il permet de distinguer deux instruments jouant la même note.
L'intensité sonore $I$ (en W/m²) est liée au niveau d'intensité sonore $L$ (en décibels, dB), mesuré au sonomètre.

Même période (même hauteur) mais formes différentes : les timbres diffèrent.

Propriété · Niveau sonore

Au-delà de $85$ dB, une exposition prolongée est dangereuse pour l'audition ; le seuil de douleur est vers $120$ dB. Le niveau sonore n'est pas additif : deux sources identiques de $60$ dB donnent environ $63$ dB, et non $120$ dB.

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