Fiche de révision : Émission et perception du son

📋 Plan du Cours

1. Propagation des ondes sonores
2. Fréquence et perception des sons
3. Amplitude et niveau sonore
4. Notes et durée musicales
5. Mesure de la célérité sonore
6. Exploitation des signaux sonores
7. Production et transmission du son

📖 1. Propagation des ondes sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal sonore : Perturbation qui se déplace de proche en proche dans un milieu matériel sans transport effectif de matière.
• Célérité : Vitesse de propagation d’une onde sonore qui dépend du milieu ainsi que de la température.

★ À maîtriser

• Un son a besoin d’un support matériel, qui peut être un milieu gazeux, liquide ou solide.

• Les vitesses du son indiquées selon le milieu sont :

  • 340 m/s dans l’air
  • 1450 m/s dans l’eau
  • 3200 m/s dans la glace
  • 5300 m/s dans le verre
  • 5750 m/s dans l’acier

Compléments

• À 20 °C, la vitesse du son est de 343 m/s dans l’air.

💡 Astuce mémo

La perturbation se transmet de proche en proche → le son se propage sans transporter de matière.

📖 2. Fréquence et perception des sons

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence : Nombre de répétitions identiques du motif élémentaire par seconde, mesuré en hertz (Hz).
• Timbre : Ensemble des caractéristiques d’un signal qui permet de distinguer des sons de même fréquence, notamment selon leur provenance.

★ À maîtriser

📐 Formule - La fréquence et la période sont liées par $f = \frac{1}{T}$, où T est la période en secondes et f la fréquence en hertz.

• La fréquence d’un son est aussi appelée sa hauteur : une fréquence élevée correspond à un son aigu et une fréquence basse à un son grave.

• Le champ auditif humain indiqué s’étend de 20 Hz à 20 000 Hz ; les infrasons sont en dessous et les ultrasons au-dessus.

Compléments

• Tout signal sonore, même non périodique, peut être décomposé en une somme de signaux périodiques.

📖 3. Amplitude et niveau sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Amplitude sonore : Variation maximale de pression provoquée par l’onde dans un gaz.
• Intensité sonore : Grandeur proportionnelle au carré de l’amplitude de l’onde.
• Niveau d’intensité sonore : Mesure pratique de l’intensité sonore exprimée en décibels (dB).

★ À maîtriser

• Les seuils indiqués sont 0 dB pour l’audibilité, 95 dB pour le danger et 120 dB pour la douleur.

Compléments

• Un son de 140 dB a une amplitude 3000 fois supérieure à celle d’un son de 70 dB, tandis qu’un son de 80 dB a une amplitude 3 fois supérieure à celle d’un son de 70 dB.

📖 4. Notes et durée musicales

🔑 Notions clés & Définitions

• Tempo : Indication de la vitesse à laquelle un morceau doit être joué.

★ À maîtriser

• Les fréquences des notes indiquées sont :

  • Do 4 : 523 Hz
  • Ré 4 : 587 Hz
  • Mi 4 : 659 Hz
  • Fa 4 : 698 Hz
  • Sol 4 : 784 Hz
  • La 4 : 880 Hz
  • Si 4 : 988 Hz

• Une noire pointée dure une noire et demie, une croche dure une demi-noire et une blanche dure deux noires.

Compléments

• Dans la neuvième symphonie de Beethoven, les trois premières strophes de l’Ode à la joie sont jouées Allegro assai, à un tempo de 80 blanches par minute.

• En 1785, Friedrich von Schiller écrit le poème Ode à la joie, également appelé Hymne à la joie.

• L’Ode à la joie est surtout connue comme finale du quatrième et dernier mouvement de la neuvième symphonie de Beethoven et est devenue l’hymne officiel de l’Union européenne.

📖 5. Mesure de la célérité sonore

★ À maîtriser

📐 Formule - La célérité d’une onde entre deux points séparés par la distance MM’ et atteints avec un retard τ vaut $v = \frac{MM'}{\tau}$.

• La mesure expérimentale de la célérité du son dans l’air utilise deux microphones séparés d’une distance connue et le retard entre leurs signaux.

📐 Formule - Pour un taux de confiance de 95 %, l’incertitude indiquée est $\Delta V = 2s_v$ et le résultat s’écrit $V = V_m \pm \Delta V$.

Compléments

• Pour la série de mesures des élèves, la célérité moyenne est notée $V_m$ et l’écart-type $s_v$.

📐 Formule - La célérité théorique du son dans l’air est modélisée par $V = 20{,}05\sqrt{T}$, où T est la température en kelvins.

• En 1738, des expérimentateurs mesurent la vitesse du son sur une ligne de 14 636 toises, soit 28,5 km, entre la tour de Montlhéry et la pyramide de Montmartre, et concluent que le son parcourt 173 toises, soit 337 m, en une seconde.

💡 Astuce mémo

Mesurer la distance et le retard, calculer la célérité, puis estimer l’incertitude.

📖 6. Exploitation des signaux sonores

★ À maîtriser

📐 Formule - Pour un signal périodique, la fréquence est l’inverse de la période : $f = \frac{1}{T}$.

• Pour un signal d’écho, on calcule d’abord la distance aller-retour avec la célérité et le temps mesuré, puis on divise cette distance par deux pour obtenir la distance à la surface réfléchissante.

Compléments

• Pour déterminer la période d’un signal sur un tracé, on mesure la durée de plusieurs périodes puis on divise cette durée par leur nombre.

• Sur l’exemple de mesure du signal, quatre périodes durent 9,04 ms, donc la période vaut 2,26 ms et la fréquence est estimée à 4,4 × 10² Hz.

• Dans l’exemple du bateau, un écho reçu après 0,300 s avec une célérité de 1500 m/s correspond à une distance aller-retour de 450 m et à une profondeur de 225 m.

📖 7. Production et transmission du son

★ À maîtriser

• Une perturbation sonore périodique présente des variations qui se répètent régulièrement au cours du temps.

Compléments

• 🔄 La transmission du son de l’exemple se fait ainsi :

  1. Le diapason met le coin en bois en vibration.
  2. Le coin en bois sort de la caisse de résonance.
  3. Le coin en bois favorise la transmission du son du diapason à l’air.

• Une perturbation sonore peut être périodique ou non périodique.

📊 Tableaux de synthèse

Célérité du son selon le milieu