Fiche de révision : Émission et perception du son

📋 Plan du Cours

1. Propagation des ondes sonores
2. Période et fréquence sonore
3. Amplitude et niveau sonore
4. Hauteur et timbre des sons
5. Notes et durées musicales
6. Mesure de la célérité sonore
7. Incertitude et validation expérimentales
8. Analyse des signaux et échos

📖 1. Propagation des ondes sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal sonore : Le déplacement de proche en proche d’une perturbation dans un milieu matériel, sans transport effectif de matière.
• Célérité : La vitesse de propagation d’une onde, qui dépend du milieu de propagation ainsi que de la température.

★ À maîtriser

• Un support matériel peut être :
  • gazeux
  • liquide
  • solide

Compléments

📌 Une surpression correspond au rapprochement des molécules d’air, tandis qu’une dépression correspond à leur éloignement.

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

• La vitesse du son est de 1 450 m/s dans l’eau, 3 200 m/s dans la glace, 5 300 m/s dans le verre et 5 750 m/s dans l’acier.

📖 2. Période et fréquence sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence : Le nombre de répétitions du motif élémentaire par seconde, mesuré en hertz (Hz).
• Onde périodique : Caractérisée par la répétition identique de son motif élémentaire à intervalles réguliers.

★ À maîtriser

📐 Formule - La fréquence et la période d’un signal périodique vérifient $f = \frac{1}{T}$, où f est en hertz et T en secondes.

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 : Dans un gaz, la variation maximale de pression provoquée par l’onde.
• Intensité sonore : Proportionnelle au carré de l’amplitude de l’onde.
• Niveau sonore : Une mesure pratique de l’intensité sonore, exprimée en décibels (dB).

📝 Points essentiels

• Le seuil d’audibilité est de 0 dB, le seuil de danger est de 95 dB et le seuil de douleur est de 120 dB.

• Un son à 140 dB a une amplitude 3 000 fois supérieure à celle d’un son à 70 dB, tandis qu’un son à 80 dB a une amplitude 3 fois supérieure à celle d’un son à 70 dB.

📖 4. Hauteur et timbre des sons

🔑 Notions clés & Définitions

• Timbre : L’ensemble des caractéristiques du signal, notamment la forme de son motif élémentaire, qui permet de distinguer des sons de même fréquence et de différencier leur provenance.

📝 Points essentiels

📌 Une fréquence élevée correspond à un son aigu, tandis qu’une fréquence basse correspond à un son grave.

💡 Astuce mémo

La fréquence distingue l’aigu du grave ; le timbre distingue deux sources jouant la même note.

📖 5. Notes et durées musicales

🔑 Notions clés & Définitions

• Tempo : La vitesse à laquelle un morceau doit être joué.

📝 Points essentiels

• 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

• 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.

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

📖 6. Mesure de la célérité sonore

★ À maîtriser

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

Compléments

• En 1738, l’Académie des sciences française charge MM. de Thury, Maraldi et l’abbé de la Caille d’organiser des mesures de la vitesse du son.

• Les expérimentateurs de 1738 conclurent que le son parcourt 173 toises, soit 337 m, en une seconde.

📖 7. Incertitude et validation expérimentales

★ À maîtriser

📐 Formule - La valeur expérimentale moyenne s’écrit $V = V_m \pm \Delta V$, avec une incertitude à 95 % définie par $\Delta V = 2s_v$.

Compléments

• La mesure expérimentale de la célérité du son utilise deux microphones, une centrale d’acquisition et une règle pour mesurer la distance entre les microphones et le retard du signal.

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

• L’exploitation d’une série de mesures indépendantes peut comprendre :
  • la construction d’un histogramme
  • le calcul de la moyenne
  • le calcul de l’écart-type

📖 8. Analyse des signaux et échos

★ À maîtriser

• Un signal périodique se reconnaît à la répétition de son motif élémentaire à intervalles de temps réguliers.

📐 Formule - Pour un écho réfléchi sur le fond marin, le trajet aller-retour vérifie $D = 2d$ et la profondeur vaut $d = \frac{v\Delta t}{2}$.

Compléments

📌 Si la période du signal A est inférieure à celle du signal B, alors la fréquence de A est supérieure à celle de B.

• Pour mesurer précisément la période sur un graphe, on mesure la durée d’un grand nombre de périodes puis on divise cette durée par leur nombre.

• Avec une vitesse du son de 1 500 m/s et un temps aller-retour de 0,300 s, la distance aller-retour est de 450 m et la profondeur est de 225 m.