Fiche de révision : Émission et propagation du son

📋 Plan du Cours

1. Caractéristiques des signaux périodiques
2. Fréquence et domaines auditifs
3. Propagation dans les milieux matériels
4. Durée de propagation sonore
5. Durée et vitesse de propagation sonore
6. Hauteur et timbre des sons
7. Intensité sonore et niveau sonore
8. Caisse de résonance et audition

📖 1. Caractéristiques des signaux périodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Son : Onde émise par un objet mis en vibration.
• Signal périodique : Signal qui se reproduit à l’identique et à intervalles de temps réguliers.

• Période temporelle : La plus petite durée au bout de laquelle le signal se reproduit identique à lui-même et s’exprime en secondes.
• Amplitude : Sa valeur maximale positive par rapport à sa valeur moyenne et s’exprime en volts.
• Motif élémentaire : La plus petite partie d’un signal périodique qui se reproduit identique à elle-même.

📝 Points essentiels

• Un diapason frappé avec un marteau se met à vibrer et produit un son.

📖 2. Fréquence et domaines auditifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Fréquence : Le nombre de répétitions de son motif élémentaire en une seconde et s’exprime en hertz.
• Infrasons : Des sons dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.
• Ultrasons : Des sons dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz.

★ À maîtriser

📐 Formule - La fréquence et la période d’un signal périodique vérifient $f_i=\frac{1}{T_i}$.

• L’être humain entend les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz.

Compléments

• Un hertz équivaut à une seconde puissance moins un.

• Le diapason étudié présente une période de 2,5 ms, une amplitude de 3,0 V et une fréquence de 4,0 × 10² Hz ; son son est audible par l’être humain.

📐 Formule - Lorsque la valeur moyenne d’un signal périodique n’est pas sur l’axe des abscisses, son amplitude vérifie $A_i=\frac{U_{\max.,i}-U_{\min.,i}}{2}$.

💡 Astuce mémo

Sous 20 Hz, infrasons ; entre 20 Hz et 20 000 Hz, sons audibles ; au-dessus, ultrasons.

📖 3. Propagation dans les milieux matériels

🔑 Notions clés & Définitions

• Milieu matériel élastique : Peut se déformer pour encaisser un choc ou une déformation, puis reprendre son état initial.

★ À maîtriser

📌 Un son a besoin d’un milieu matériel élastique pour se propager et ne peut pas se propager dans le vide, qui ne contient pas de particules.

• Dans l’air, le son se propage de proche en proche par une suite de compressions et de dilatations des particules.

Compléments

• Dans un solide, les particules sont très proches et le son se propage rapidement de proche en proche.

• Dans un liquide, les particules sont moyennement proches et le son se propage à une vitesse moyenne de proche en proche.

• Dans un gaz, les particules sont assez éloignées et le son se propage assez lentement de proche en proche.

💡 Astuce mémo

Particules rapprochées → propagation rapide ; particules éloignées → propagation lente.

📖 4. Durée de propagation sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Système : L’objet ou l’ensemble d’objets étudiés.

★ À maîtriser

📌 En physique, Δt désigne une durée ou variation de temps, tandis que t désigne un instant précis.

📐 Formule - La durée d’un système vérifie $\Delta t_i=t_{\mathrm{final},i}-t_{\mathrm{initial},i}$.

Compléments

• Pour un son émis à 5 s et détecté à 68 s, la durée du parcours est de 63 s.

📖 5. Durée et vitesse de propagation sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Célérité : La vitesse d’une onde quelconque et s’exprime en mètres par seconde (m·s⁻¹).

★ À maîtriser

📐 Formule - La vitesse moyenne vérifie $v_{moy.,i} = \frac{d_i}{\Delta t_i}$, où $d_i$ est la distance parcourue en mètres et $\Delta t_i$ la durée en secondes.

• À 20 °C et à une pression de 1 atm, la célérité du son dans l’air est de 340 m·s⁻¹.

Compléments

📐 Formule - La durée du parcours est $\Delta t_{son,air} = 68\,s - 5\,s = 63\,s$, à partir d’un instant initial de 5 s et d’un instant final de 68 s.

• Une heure équivaut à 60 minutes et à 3 600 secondes.

• Pour une distance de 3 672,0 km parcourue en 10 800 s, la célérité calculée est de 1 224 km·h⁻¹, soit 340 m·s⁻¹.

📖 6. Hauteur et timbre des sons

🔑 Notions clés & Définitions

• Timbre d’un son : Le timbre d’un son est la sensation physiologique qui permet de distinguer deux sons de même hauteur joués par des instruments différents ; il dépend de l’instrument et de la forme du son.
• Hauteur d’un son : La sensation physiologique associée à la perception d’un son ou d’un signal sonore.

★ À maîtriser

📌 Plus la fréquence d’un son est faible, plus sa hauteur est faible et plus le son est grave ; plus sa fréquence est élevée, plus sa hauteur est élevée et plus le son est aigu.

Compléments

• Le diapason de fréquence 400 Hz est plus aigu que la guitare de fréquence 300 Hz, car sa fréquence est plus élevée.

• Les sons du diapason et de la guitare ont des timbres différents parce qu’ils sont produits par des instruments différents et n’ont pas la même forme.

💡 Astuce mémo

La hauteur distingue grave et aigu ; le timbre distingue les instruments à hauteur égale.

📖 7. Intensité sonore et niveau sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Intensité sonore : L’intensité sonore est liée à l’amplitude du signal sinusoïdal périodique représentant l’onde sonore ; elle se note I et s’exprime en watts par mètre carré (W·m⁻²).
• Niveau d’intensité sonore : Le niveau d’intensité sonore est une grandeur liée à la sensibilité de l’oreille humaine ; il se note L et s’exprime en décibels (dB).

★ À maîtriser

📌 Pour un même son, plus l’amplitude est élevée, plus l’intensité sonore est élevée, et plus l’amplitude est faible, plus l’intensité sonore est faible.

📌 Pour un même son, plus l’intensité sonore est élevée, plus le niveau d’intensité sonore est élevé, et plus l’intensité sonore est faible, plus son niveau est faible.

Compléments

• Avec une amplitude de 5,0 V pour la guitare et de 3,0 V pour le diapason, l’intensité sonore de la guitare est la plus élevée.

• Avec une intensité sonore de 8,0 × 10⁻³ W·m⁻² pour la guitare et de 5,0 × 10⁻³ W·m⁻² pour le diapason, le niveau d’intensité sonore de la guitare est le plus élevé.

📖 8. Caisse de résonance et audition

★ À maîtriser

• La caisse de résonance d’un instrument augmente le niveau d’intensité sonore du son émis et, par conséquent, son intensité sonore.

📌 Plus le niveau d’intensité sonore et la durée d’exposition sont élevés, plus les risques d’atteintes à l’audition sont élevés.

• Une exposition de seulement quelques secondes à un niveau d’intensité sonore supérieur à 120 dB peut entraîner une surdité totale.

Compléments

• Des instruments possédant une caisse de résonance sont :
  • le diapason
  • le violon
  • le violoncelle
  • la guitare

💡 Astuce mémo

Caisse de résonance → intensité et niveau sonores accrus ; exposition forte et prolongée → risque auditif accru.