Fiche de révision : Ondes sonores et effet Doppler

📋 Plan du Cours

1. Propriétés des ondes sonores
2. Intensité et niveau sonore
3. Atténuation des ondes sonores
4. Observation de l’effet Doppler
5. Décalage Doppler et applications

📖 1. Propriétés des ondes sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde sonore : Onde mécanique progressive issue d’une perturbation de pression qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel, sans déplacement global de matière.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour une onde périodique, la fréquence et la célérité vérifient $f=\frac{1}{T}$ et $v=\frac{\lambda}{T}=\lambda f$.

Compléments

• La période $T$ est la durée du motif temporel irréductible, la fréquence $f$ est le nombre de motifs par seconde et la longueur d’onde $\lambda$ est la longueur du motif spatial irréductible.

💡 Astuce mémo

Onde progressive : énergie propagée, matière non transportée ; onde stationnaire : pas de propagation nette.

📖 2. Intensité et niveau sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Intensité sonore : La puissance transportée par une onde par unité de surface et vérifie $I=\frac{P}{S}$, en watts par mètre carré.
• Seuil d’audibilité : L’intensité minimale perceptible par l’ouïe, et sa valeur varie selon la fréquence du son et l’âge de l’auditeur.

📝 Points essentiels

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

• Doubler l’intensité sonore augmente le niveau d’intensité sonore de 3 dB.

💡 Astuce mémo

Intensité multipliée → niveau sonore augmenté logarithmiquement.

📖 3. Atténuation des ondes sonores

🔑 Notions clés & Définitions

• Atténuation : La diminution du niveau d’intensité sonore entre l’entrée et la sortie d’un milieu absorbant et vérifie $A=L_{entrée}-L_{sortie}=10\log\left(\frac{I_{entrée}}{I_{sortie}}\right)$.

📝 Points essentiels

📌 L’atténuation par absorption résulte du transfert d’une partie de l’énergie de l’onde au milieu, tandis que l’atténuation géométrique résulte de l’éloignement par rapport à la source.

💡 Astuce mémo

Absorption : le milieu dissipe l’énergie ; géométrique : l’éloignement répartit l’énergie.

📖 4. Observation de l’effet Doppler

★ À maîtriser

• Quand une source se rapproche d’un observateur, la fréquence reçue est supérieure à la fréquence émise et le son paraît plus aigu ; quand elle s’éloigne, la fréquence reçue est inférieure et le son paraît plus grave.

📌 L’effet Doppler se produit pour tout type d’onde progressive lorsque la source est en mouvement relatif par rapport à l’observateur, sous réserve que la vitesse de la source soit inférieure à la célérité de l’onde.

Compléments

• Le mouvement de la source réduit la distance entre les fronts d’onde dans le sens du déplacement et l’augmente dans le sens opposé.

💡 Astuce mémo

Approche → son aigu ; dépassement → son grave.

📖 5. Décalage Doppler et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Décalage Doppler : Le décalage Doppler est la différence entre la fréquence reçue et la fréquence émise, soit $\Delta f=f_{eff}-f_{em}$.

★ À maîtriser

📐 Formule — Pour un observateur fixe et une source se déplaçant à la vitesse $v$, la fréquence reçue vaut $f_{eff}=f_{em}\frac{v_{onde}}{v_{onde}-v}=\frac{f_{em}}{1-v/v_{onde}}$ en rapprochement et $f_{eff}=f_{em}\frac{v_{onde}}{v_{onde}+v}=\frac{f_{em}}{1+v/v_{onde}}$ en éloignement.

Compléments

📐 Formule — Lorsque la vitesse de la source est très inférieure à la célérité de l’onde, le décalage vérifie approximativement $|\Delta f|=f_{em}\frac{v}{v_{onde}}$.

📌 À célérité d’onde fixée, une fréquence perçue plus élevée correspond à une longueur d’onde perçue plus courte, tandis qu’une fréquence plus faible correspond à une longueur d’onde plus longue.

• Le décalage vers le rouge des rayonnements des étoiles lointaines s’explique par leur éloignement et constitue un exemple d’effet Doppler-Fizeau.

💡 Astuce mémo

Vitesse relative accrue → décalage fréquentiel accru → longueur d’onde modifiée.

📊 Tableaux de synthèse

Conséquences du mouvement de la source