Fiche de révision : Ondes mécaniques et sons

📋 Plan du Cours

1. Propagation des ondes sonores
2. Période fréquence et célérité
3. Caractéristiques d’un son
4. Intensité sonore et niveau
5. Atténuation des sons
6. Effet Doppler
7. Applications et exercices acoustiques

📖 1. Propagation des ondes sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde mécanique : Perturbation qui se propage dans un milieu matériel sans transport global de matière.

📝 Points essentiels

• La célérité du son dépend du milieu matériel et de la température.

• À 20 °C, la célérité du son vaut:

  • 340 m.s^-1 dans l’air
  • 1500 m.s^-1 dans l’eau de mer
  • 5000 m.s^-1 dans l’acier
  • 5500 m.s^-1 dans le verre
  • 3000 m.s^-1 dans le béton

💡 Astuce mémo

Le son va plus vite dans les solides que dans les liquides, puis dans les gaz.

📖 2. Période fréquence et célérité

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde périodique : Perturbation qui se reproduit identiquement à intervalles de temps réguliers.
• Période temporelle : Durée, en seconde, la plus courte au bout de laquelle une perturbation se répète à l’identique.
• Fréquence : Nombre de fois qu’une perturbation se reproduit en une seconde.

★ À maîtriser

📐 Formule — La période et la fréquence sont inverses l’une de l’autre : $f=\frac{1}{T}$ et $T=\frac{1}{f}$.

Compléments

• Pour mesurer plus précisément une période, on mesure un grand nombre de périodes puis on divise la durée obtenue par ce nombre.

💡 Astuce mémo

Une perturbation se répète : période → fréquence → célérité.

📖 3. Caractéristiques d’un son

🔑 Notions clés & Définitions

• Son pur : Modélisé par une fonction sinusoïdale.

★ À maîtriser

• Lors de la réception d’un signal sonore, celui-ci est transformé en signal électrique, puis la tension électrique proportionnelle à l’intensité du signal est visualisée sur un oscilloscope ou un ordinateur.

📌 La fréquence définit la hauteur d’un son, tandis que le timbre permet de distinguer des sons de même hauteur perçus différemment par l’oreille.

Compléments

📐 Formule — Pour un signal dont cinq périodes correspondent à 32 ms, la période vaut $T=\frac{32}{5}=6{,}4\times10^{-3}\,\mathrm{s}$.

💡 Astuce mémo

La fréquence donne la hauteur, tandis que le timbre distingue des sons de même hauteur.

📖 4. Intensité sonore et niveau

🔑 Notions clés & Définitions

• Intensité sonore : Puissance P transportée par une onde sonore par unité de surface S.
• Niveau d’intensité sonore : Grandeur logarithmique liée à la perception des sons par l’oreille, exprimée en décibels et mesurée avec un sonomètre.

★ À maîtriser

📐 Formule — L’intensité sonore vérifie $I=\frac{P}{S}$ et s’exprime en W.m^-2.

• Plus un son est intense, plus l’amplitude A de son signal est importante et plus son intensité sonore est grande.

📐 Formule — Avec l’intensité de référence $I_0=10^{-12}\,\mathrm{W.m^{-2}}$, le niveau d’intensité sonore est $L=10\log\left(\frac{I}{I_0}\right)$.

📌 Lorsque plusieurs instruments jouent ensemble, leurs intensités sonores s’ajoutent, mais leurs niveaux d’intensité sonore ne s’ajoutent pas.

• Lorsque l’intensité sonore est multipliée par deux, le niveau d’intensité sonore augmente de 3 dB.

Compléments

📐 Formule — L’intensité sonore se déduit du niveau par $I=I_0\times10^{L/10}$.

💡 Astuce mémo

Intensité multipliée par deux → niveau augmenté de 3 dB.

📖 5. Atténuation des sons

🔑 Notions clés & Définitions

• Atténuation sonore : Diminution de l’intensité sonore et du niveau d’intensité sonore d’une onde.

★ À maîtriser

📌 L’atténuation géométrique correspond à la diminution du niveau d’intensité sonore avec la distance, tandis que l’atténuation par absorption évalue en décibels l’efficacité d’un matériau contre la transmission du bruit.

Compléments

• Une épaisseur de 50 mm de laine de verre produit une atténuation d’environ -39 dB.

💡 Astuce mémo

Distance ou obstacle → atténuation de l’onde sonore.

📖 6. Effet Doppler

🔑 Notions clés & Définitions

• Effet Doppler : Décalage entre la fréquence d’une onde émise et celle de l’onde reçue lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie.

★ À maîtriser

📐 Formule — Le décalage Doppler est défini par $\Delta f=f_R-f_E$.

📌 Lorsqu’un émetteur se rapproche du récepteur, la longueur d’onde reçue vérifie λR < λE, la période reçue vérifie TR < TE, la fréquence reçue vérifie fR > fE et le décalage Doppler est positif.

📌 Lorsqu’un émetteur s’éloigne du récepteur, la longueur d’onde reçue vérifie λR > λE, la période reçue vérifie TR > TE, la fréquence reçue vérifie fR < fE et le décalage Doppler est négatif.

Compléments

📌 Lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur reste constante, λR = λE, TR = TE, fR = fE et Δf = 0.

• La célérité d’une onde sonore est supérieure à la vitesse de l’émetteur dans la situation étudiée, avec c = v_onde > v.

💡 Astuce mémo

Rapprochement → son plus aigu ; éloignement → son plus grave.

📖 7. Applications et exercices acoustiques

★ À maîtriser

• L’effet Doppler est utilisé dans les cinémomètres routiers, l’échographie Doppler médicale et l’astronomie.

Compléments

• L’effet Doppler concerne les ondes sonores mais aussi les ondes électromagnétiques, comme la lumière, qui n’ont pas besoin de milieu matériel pour se propager.

• Pour un son de fréquence 440 Hz dans l’air, avec une célérité de 340 m.s^-1, la longueur d’onde vaut environ 0,77 m.

📊 Tableaux de synthèse

Effet de la distance sur le décalage Doppler