Cours de physique niveau seconde – Ondes et signaux
- Qu’est-ce que le son ?
- Comment perçoit-on un son ?
- Comment produire du son?
- Comment amplifier un son ?
- Propagation du son
- Signaux sonores périodiques et apériodiques
- Période et fréquence d’un signal périodique
- Hauteur d’un son
- Timbre d’un son
- Intensité sonore et niveau d’intensité sonore
Version vidéo du cours: https://youtu.be/4K-0lxRnT4g
Qu’est-ce que le son ?
Le son est la vibration d’un milieu matériel (en général de l’air)
Quand l’air vibre une couche d’air se comprime dans un premier temps puis se dilate en poussant la couche voisine qui subit le même processus (elle se comprime puis se dilate en comprimant la couche suivante et ainsi de suite).
Vocabulaire
On dit que le son se propage, et non qu’il se déplace, car il n’y a pas de transport de matière.
Comment perçoit-on un son ?
La perception d’un son se fait grâce au tympan qui est constitué d’une membrane souple.
Lorsque l’air vibre au niveau de l’oreille cette membrane vibre en produisant un message nerveux qui est transmis au cerveau, c’est ce message nerveux qui est interprété comme un son.
Comment produire du son?
Pour produire un son il faut une source vibrante.
Cette source vibrante peut par exemple être:
- des enceintes
- des cordes vocales
- une corde de guitare
- la membrane d’un tambour
- la anche d’un saxophone etc.
En pratique tout corps solide rigide peut produire un son, il suffit de le faire vibrer en provoquant une déformation adaptée (avec un choc, une torsion, en le pliant etc).
Pour maîtriser la production d’un son il faut maîtriser les vibrations produites (cordes vocales, membrane de haut parleur, instrument de musique).
Comment amplifier un son ?
Pour amplifier un son, c’est à dire augmenter l’amplitude des vibrations (et donc le niveau d’intensité sonore) on peut utiliser une caisse de résonance.
Une caisse de résonance est constituée d’une cavité où le son subit des réflexions qui permettent de l’amplifier par contre elle ne permet pas produire un son.
Certains instruments de musique comme le saxophone ou la contrebasse comportent leur propre caisse de résonance.
Il existe aussi des systèmes amplificateurs électroniques de son qui captent le son, le transforment en un signal électrique et produisent un son ayant les mêmes caractéristiques mais dont l’amplitude est plus élevée.
Voir vidéo: son produit par un diapason avec et sans caisse de résonance
Propagation du son
Un milieu matériel est indispensable pour la propagation du son puisque par définition le son correspond à la vibration d’une matière et par conséquent:
Le son ne peut pas se propager dans le vide.
La vitesse de propagation du son est plus importante dans les milieux plus denses: elle est donc plus importante dans les solides et dans les liquides que dans l’air et les gaz en général.
Certains facteurs tels que la température et la pression sont susceptibles de modifier la vitesse de propagation du son dans un milieu donné.
A retenir en classe de seconde:
La vitesse de propagation du son dans l’air à 20°C et à la pression atmosphérique est environ égale à 340 m.s–1.
Elle est de l’ordre de 1 500 m.s–1 dans l’eau et de 5 500 m.s–1 dans l’acier.
Remarque
La vitesse de propagation du son dans l’air est:
- nettement plus faible que celle de la lumière ( presque 300 000 fois plus faible)
- plus élevée que celle d’une voiture et que la plupart des avions de ligne.
Signaux sonores périodiques et apériodiques
Lorsque la représentation temporelle d’un signal sonore laisse apparaître une répétition régulière (un motif élémentaire) alors ce signal est dit périodique.
Remarque
Ce motif coïncide avec une vibration de l’air.
Comme tous les phénomènes périodiques un signal périodique est caractérisé par sa période “T” et sa fréquence “f”
Lorsqu’un signal sonore n’est pas périodique alors il ne s’agit que d’un “bruit”
Période et fréquence d’un signal périodique
Définition de la période:
La période correspond à la durée d’un motif élémentaire (une vibration).
Il s’agit d’une durée, elle se note T et son unité est la seconde (s).
Définition de la fréquence:
La fréquence correspond au nombre de motifs élémentaires se répétant pendant une seconde.(et aussi au nombre de vibrations pas seconde).
La fréquence se note “f” et a comme unité le Hertz de symbole Hz
La fréquence correspond à l’inverse de la période, elles sont liées par les relations suivantes:
Hauteur d’un son
Définition de la hauteur:
La hauteur d’un son correspond à la fréquence en hertz de ce son.
La perception aiguë ou grave d’une note dépend de sa hauteur:
Plus une note est grave, plus sa fréquence est basse
Plus une note est aiguë, plus sa fréquence est élevée
La hauteur du son produit par une source vibrante correspond à la fréquence de vibration de cette source:
- si une source vibre à une fréquence de 220 Hz alors le son qu’elle produit a une hauteur de 220 Hz
- si une source vibre à une fréquence de 440 Hz alors on obtient un son de hauteur 440 Hz
etc
Tout ce qui modifie le rythme de vibration d’une source modifie aussi la hauteur du son produit: sa composition, sa dimension, sa forme, sa densité, sa température, la pression….
Il n’est possible de percevoir qu’une gamme de longueurs d’onde limitée:
Une oreille humaine permet d’entendre des sons dont la fréquence va de 20 Hertz à 20 000 Hertz.
On ne peut pas entendre les sons de fréquence plus grande que 20 000 Hz: ce sont des ultrasons.
On ne peut pas non plus entendre les sons en dessous de 20 Hz, ce sont des infrasons.
Remarque
La gamme de fréquences des sons audibles peut être différentes chez les animaux, certaines espèces animales sont capables de percevoir (et parfois de produire) ce que nous qualifions d’ultrasons (les dauphins, chiens, chauves-souris) et d’autres peuvent percevoir les infrasons (comme les éléphants)
Timbre d’un son
La même note jouée par deux instruments peut être perçue de manière différente: le timbre de ces sons est différent.
Le timbre d’un son dépend de la forme du signal sonore produit.
Si deux sons de même hauteur sont caractérisés par des motifs différents alors ils possèdent aussi des timbres différents.
La hauteur d’une note La3 est de 440 Hz mais le motif d’un signal sonore correspondant à cette note est différent lorsqu’il est produit par une flûte, un piano, un violon etc. Chacun de ces instruments produit des sons avec un timbre qui lui est propre.
Intensité sonore et niveau sonore
L’intensité sonore est égale à la puissance sonore reçue par unité de surface, elle se note I, s’exprime en watt par mètre carré (W.m–2).
Si une surface “S” reçoit une puissance sonore “P” alors l’intensité sonore est:
où:
- P est en watt (W)
- S en mètre carré (m2)
- I est watt par mètre carré (W.m-2)
Exemple
Si une surface de 10 dm2 reçoit une puissance sonore de 25 mW alors:
P = 25.10-3 W
S = 10 dm2 = 10.10-2 m2
Le niveau d’intensité sonore est une grandeur définie à partir de l’intensité sonore mais dont les valeurs sont plus simples à manipuler.
Elles varient dans le même sens:
- si l’intensité sonore augmente alors le niveau d’intensité sonore augmente aussi.
- si l’intensité sonore diminue alors le niveau d’intensité sonore diminue aussi.
Le niveau d’intensité sonore d’un son:
- est mesuré à l’aide d’un appareil appelé sonomètre
- se note “L”
- s’exprime en une unité qui est le décibel de symbole dB.
Exemples:
- Si I = 10-12 W.m-2 alors L = 0 dB
- Si I = 10-10 W.m-2 alors L = 20 dB
- Si I = 10-4 W.m-2 alors L = 40 dB
- Si I = 10-8 W.m-2 alors L = 80 dB
Si l’on superpose deux signaux sonores de même niveau d’intensité sonore alors on obtient un niveau d’intensité sonore qui n’est pas doublé mais qui augmente de 3 dB.
Exemple
Deux signaux sonores ayant chacun un niveau d’intensité de 60 dB ont ensemble un niveau d’intensité sonore de 60 + 3 = 63 dB
Le niveau d’intensité sonore permet de prévoir les dangers d’un son.
Pour simplifier on retient que:
un son peut être dangereux à partir de 100 dB
Plus on s’éloigne d’une source sonore et plus le niveau d’intensité sonore diminue.
En réalité le danger que constitue une source sonore dépend aussi de la durée d’exposition au son:
plus l’exposition à un son est longue et plus le risque est élevé.
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Pour approfondir ce cours
Cours de physique, enseignement scientifique niveau première: “Le son, un phénomène vibratoire“
Ressources
Vidéo: son produit par un diapason avec est sans caisse de résonance – https://youtu.be/3s2AnFtwikM