Les signaux sonores
Seconde · Physique-Chimie · Ondes et signaux
Ondes et signaux
Émission et propagation d'un son
Un son, c'est de la matière qui bouge. Une corde de guitare, une membrane de haut-parleur, tes cordes vocales : dans tous les cas, quelque chose vibre, et cette vibration se transmet à l'air jusqu'à ton tympan. Comprendre ce voyage, c'est comprendre tout le chapitre.
La vitesse du son dépend du milieu
Le son se propage d'autant plus vite que les particules du milieu sont proches et fortement liées. Il est donc le plus rapide dans les solides, plus lent dans les liquides, et le plus lent dans les gaz. La vitesse dépend aussi de la température : dans l'air, elle augmente quand il fait plus chaud.
| Milieu | Vitesse du son (valeurs usuelles) |
|---|---|
| Vide | aucune propagation |
| Air (à 20 °C) | environ 340 m/s |
| Eau | environ 1500 m/s |
| Acier | environ 5000 m/s |
Ondes et signaux
Période, fréquence et niveau sonore
Un son musical correspond à un signal périodique : le motif se répète à l'identique au cours du temps. Sur l'écran d'un oscilloscope ou d'un logiciel d'acquisition, ce motif se lit directement, et on en tire deux grandeurs clés : la période et la fréquence.
Hauteur, timbre et amplitude.
Trois caractéristiques perçues, trois grandeurs physiques différentes — ne les mélange jamais :
La hauteur (grave ou aigu) est fixée par la fréquence. Plus f est grande, plus le son est aigu.
Le timbre est ce qui permet de reconnaître un piano d'une flûte jouant la même note : il dépend de la forme du signal, c'est-à-dire de la richesse en harmoniques.
Le volume perçu est lié à l'amplitude du signal, donc à l'intensité sonore.
| Ce que tu perçois | Grandeur physique | Sur l'oscillogramme |
|---|---|---|
| Grave ou aigu (hauteur) | Fréquence f, en Hz | Motifs resserrés = aigu ; motifs étirés = grave |
| Fort ou faible (volume) | Amplitude, niveau L en dB | Motif plus haut = son plus fort |
| Piano ou flûte (timbre) | Forme du signal, harmoniques | Allure du motif, plus ou moins complexe |
Le domaine audible.
L'oreille humaine perçoit les fréquences comprises entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). En dessous de 20 Hz, on parle d'infrasons (émis par les séismes, perçus par les éléphants) ; au-dessus de 20 kHz, d'ultrasons (chauve-souris, sonar, échographie). Le domaine audible se rétrécit avec l'âge, surtout du côté des aigus.
Niveau d'intensité sonore et santé auditive.
L'intensité sonore I mesure l'énergie transportée par le son, en W/m². Comme l'oreille est sensible sur une plage gigantesque de valeurs, on utilise une échelle plus commode : le niveau d'intensité sonore L, exprimé en décibels (dB).
Repères : 0 dB est le seuil d'audibilité, une conversation vaut environ 60 dB, un concert environ 100 dB, et le seuil de douleur se situe vers 120 dB.
Exercices corrigés
Dans lequel de ces milieux le son NE peut-il PAS se propager ?
- A.L'eau
- B.L'acier
- C.Le videBonne réponse
- D.L'air
Réponse : C — Le vide
Le son se propage de proche en proche grâce aux particules du milieu. Dans le vide, il n'y a pas de particules à faire vibrer : aucune propagation n'est possible. Il faut donc toujours un milieu MATÉRIEL, qu'il soit gazeux (air), liquide (eau) ou solide (acier). C'est la grande différence avec la lumière, qui traverse le vide sans difficulté.
Quelle est l'unité de la fréquence ?
- A.Le hertz (Hz)Bonne réponse
- B.Le décibel (dB)
- C.La seconde (s)
- D.Le watt (W)
Réponse : A — Le hertz (Hz)
La fréquence, c'est le nombre de motifs par seconde : elle se mesure en hertz (Hz). Le décibel sert à exprimer le niveau d'intensité sonore, pas la fréquence. La seconde est l'unité de la PÉRIODE, la grandeur inverse. Le watt mesure une puissance.
Quel est approximativement le domaine des fréquences audibles par l'oreille humaine ?
- A.De 0 Hz à 100 Hz
- B.De 2 Hz à 2000 Hz
- C.De 200 Hz à 200 000 Hz
- D.De 20 Hz à 20 000 HzBonne réponse
Réponse : D — De 20 Hz à 20 000 Hz
L'oreille humaine perçoit environ de 20 Hz à 20 kHz (20 000 Hz). Retiens le « facteur 1000 » entre les deux bornes, c'est un bon moyen mnémotechnique. En dessous de 20 Hz, ce sont les infrasons ; au-dessus de 20 kHz, les ultrasons. Avec l'âge, la borne supérieure diminue nettement.
Deux sons purs ont pour fréquences 200 Hz et 2000 Hz. Que peut-on dire ?
- A.Le son à 2000 Hz est plus aiguBonne réponse
- B.Le son à 2000 Hz est plus grave
- C.Le son à 2000 Hz est plus fort
- D.Le son à 2000 Hz a un timbre différent
Réponse : A — Le son à 2000 Hz est plus aigu
La hauteur d'un son (grave ou aigu) est déterminée par sa FRÉQUENCE : plus f est grande, plus le son est aigu. À 2000 Hz, le son est donc dix fois plus aigu en fréquence que celui à 200 Hz. Le fait qu'un son soit « plus fort » dépend de l'amplitude, pas de la fréquence : les deux notions sont indépendantes.
Un piano et une flûte jouent exactement la même note, au même volume. Qu'est-ce qui permet de les distinguer ?
- A.Leur timbre, lié à la forme du signalBonne réponse
- B.Leur fréquence, plus élevée pour la flûte
- C.Leur amplitude, plus grande pour le piano
- D.Leur période, plus courte pour la flûte
Réponse : A — Leur timbre, lié à la forme du signal
Même note signifie même fréquence, donc même période : la hauteur est identique. Même volume signifie même amplitude. Ce qui reste pour les distinguer, c'est le TIMBRE, c'est-à-dire la forme du signal, liée à la richesse en harmoniques de chaque instrument. Sur un oscillogramme, les deux motifs auraient la même largeur et la même hauteur, mais des allures différentes.
Sur un oscillogramme, on compte 5 motifs identiques occupant une durée totale de 20 ms. Quelle est la fréquence du son ?
- A.250 HzBonne réponse
- B.50 Hz
- C.20 Hz
- D.100 Hz
Réponse : A — 250 Hz
Deux étapes. D'abord la période : T = 20 ms / 5 = 4,0 ms = 4,0 × 10^-3 s. Ensuite la fréquence : f = 1/T = 1 / (4,0 × 10^-3) = 250 Hz. Vérification à l'envers : 250 × 4,0 × 10^-3 = 1, c'est cohérent. L'erreur fréquente est d'oublier de diviser par le nombre de motifs et de prendre T = 20 ms, ce qui donnerait 50 Hz.
Tu cries face à une falaise et tu entends ton écho 1,0 s plus tard. À quelle distance se trouve la falaise (v = 340 m/s) ?
- A.340 m
- B.170 mBonne réponse
- C.680 m
- D.85 m
Réponse : B — 170 m
Attention, l'écho correspond à un ALLER-RETOUR. Le son parcourt au total d = v × t = 340 × 1,0 = 340 m. Mais cette distance comprend l'aller ET le retour : la falaise est donc à 340 / 2 = 170 m. Répondre 340 m est le piège classique, c'est oublier de diviser par 2. Répondre 680 m revient à multiplier par 2 au lieu de diviser.
On multiplie par 100 l'intensité sonore d'une source dont le niveau était de 50 dB. Quel est le nouveau niveau ?
- A.5000 dB
- B.150 dB
- C.70 dBBonne réponse
- D.60 dB
Réponse : C — 70 dB
L'échelle des décibels n'est pas proportionnelle à l'intensité : multiplier I par 10 ajoute 10 dB. Multiplier par 100, c'est multiplier deux fois par 10, donc ajouter 10 + 10 = 20 dB. Le nouveau niveau vaut 50 + 20 = 70 dB. Répondre 5000 dB (multiplication directe du niveau) est absurde : on serait très au-delà du seuil de douleur, situé vers 120 dB.
Un émetteur à ultrasons fonctionne à 40 kHz. Quelle est la période du signal émis ?
- A.40 µs
- B.2,5 ms
- C.0,4 s
- D.25 µsBonne réponse
Réponse : D — 25 µs
Il faut d'abord convertir : 40 kHz = 40 000 Hz = 4,0 × 10^4 Hz. Puis T = 1/f = 1 / (4,0 × 10^4) = 0,25 × 10^-4 = 2,5 × 10^-5 s. Enfin on exprime en microsecondes : 2,5 × 10^-5 s = 25 × 10^-6 s = 25 µs. L'erreur habituelle est d'oublier le préfixe kilo et de calculer 1/40, ce qui donnerait 25 ms, mille fois trop grand.
On augmente le volume d'un haut-parleur qui émet une note constante. Comment évolue l'oscillogramme ?
- A.L'amplitude augmente, la période reste identiqueBonne réponse
- B.L'amplitude et la période augmentent toutes les deux
- C.La période diminue, l'amplitude reste identique
- D.La fréquence augmente, l'amplitude reste identique
Réponse : A — L'amplitude augmente, la période reste identique
Le volume est lié à l'AMPLITUDE du signal : le motif devient plus haut. Mais la note jouée ne change pas, donc la fréquence et la période restent exactement les mêmes : le motif garde la même largeur. C'est le piège classique du langage courant, où « monter le son » suggère à tort un son plus aigu. Fais bien la distinction : hauteur et volume sont deux caractéristiques indépendantes.
Un sonar de bateau émet une salve d'ultrasons vers le fond marin et reçoit l'écho 0,40 s plus tard. La vitesse du son dans l'eau vaut 1500 m/s. Quelle est la profondeur ?
- A.600 m
- B.300 mBonne réponse
- C.3750 m
- D.1200 m
Réponse : B — 300 m
Deux étapes, et deux pièges à éviter. Premier point : il faut utiliser la vitesse du son dans l'EAU (1500 m/s), pas celle dans l'air. La distance totale parcourue vaut d = v × t = 1500 × 0,40 = 600 m. Second point : cette distance est un aller-retour, la profondeur vaut donc 600 / 2 = 300 m. Répondre 600 m, c'est oublier la division par 2 ; répondre 3750 m vient d'une division (1500/0,40) au lieu d'une multiplication.
Une enceinte seule produit un niveau de 75 dB en un point donné. On ajoute une seconde enceinte identique, doublant l'intensité sonore reçue. On rappelle que doubler l'intensité ajoute 3 dB. Quel niveau mesure-t-on alors ?
- A.150 dB
- B.37,5 dB
- C.75 dB
- D.78 dBBonne réponse
Réponse : D — 78 dB
Le niveau en décibels ne s'additionne PAS quand on additionne des sources : ce sont les intensités I qui s'ajoutent, et le niveau L se recalcule à partir de la nouvelle intensité. Ici l'intensité est doublée, ce qui correspond à +3 dB, donc L = 75 + 3 = 78 dB. Répondre 150 dB (75 + 75) est l'erreur type : ce serait bien au-delà du seuil de douleur, alors qu'on a simplement branché une seconde enceinte ordinaire. Retiens l'ordre de grandeur : il faudrait DIX enceintes identiques pour gagner seulement 10 dB.
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Ce chapitre compte 36 exercices corrigés dans l'application, avec le suivi de ta progression.
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