====== Voyage au Cœur du Son : Les Ondes Sonores ====== ===== Prérequis ===== Pour aborder ce chapitre avec succès, il est essentiel d'avoir une bonne maîtrise des notions suivantes : * **En Première :** La notion générale d'**onde mécanique progressive** (transport d'énergie sans transport de matière). * **En Seconde et Première :** Concepts de distance (m), temps (s), et vitesse (m . s^-1). * **En Mathématiques :** La fonction log_{10} (logarithme décimal) pour le niveau d'intensité sonore. ===== Chapitre 1 : Le son, une onde mécanique singulière ===== ==== 1.1 Nature du son : une perturbation mécanique ==== Le son est une **onde mécanique progressive**. Elle a besoin d'un support matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager et ne peut pas se propager dans le vide. **Définition :** Une **onde mécanique** est une propagation d'une perturbation dans un milieu matériel élastique, sans transport de matière. ==== 1.2 Une onde longitudinale ==== Le son est une **onde longitudinale** : la direction de la perturbation est parallèle à la direction de propagation. Les molécules d'air vibrent d'avant en arrière dans le sens du son. ==== 1.3 Vitesse de propagation du son ==== La vitesse v dépend du milieu et de la température. ^ Milieu ^ Vitesse du son (à 20 °C) ^ | Air | Environ 340 m . s^-1 | | Eau | Environ 1500 m . s^-1 | | Acier | Environ 5000 m . s^-1 | Dans l'air, à 0 circ C, elle est d'environ 331 m . s^-1. ==== 1.4 Ondes sonores, infrasons et ultrasons ==== * **Sons audibles :** Fréquence entre 20 Hz et 20000 Hz. * **Infrasons :** Fréquence inférieure à 20 Hz. * **Ultrasons :** Fréquence supérieure à 20000 Hz. ===== Chapitre 2 : Les caractéristiques physiques d'une onde sonore ===== ==== 2.1 Période et fréquence ==== La fréquence f et la période T sont liées par : f = (1)/(T) et T = (1)/(f) ==== 2.2 Longueur d'onde ==== La longueur d'onde lambda est la distance parcourue pendant une période : lambda = v . T = (v)/(f) **Exemple :** Pour f = 440 Hz dans l'air (340 m . s^-1) : lambda = (340)/(440) approx 0,77 m ==== 2.3 Intensité sonore et niveau d'intensité sonore ==== L'**intensité sonore** I s'exprime en W . m^-2. Le seuil d'audibilité est I_0 = 1,0 . 10^-12 W . m^-2. Le **niveau d'intensité sonore** L s'exprime en décibels (dB) : L = 10 . log((I)/(I_0)) **Exemple :** Si I = 1,0 . 10^-6 W . m^-2 : L = 10 . log((1,0 . 10^-6)/(1,0 . 10^-12)) = 10 . log(10^6) = 60 dB ===== Chapitre 3 : Les phénomènes ondulatoires ===== ==== 3.1 Réflexion et écho ==== L'**écho** est perçu si le son réfléchi revient avec un délai supérieur à 50 ms. ==== 3.2 Diffraction ==== Le son contourne les obstacles. Le phénomène est marqué si la taille de l'ouverture est proche de lambda. ==== 3.3 Interférences ==== Superposition de deux ondes : * **Constructives :** Amplification du son. * **Destructives :** Atténuation du son. ===== Chapitre 4 : Perception et applications ===== ==== 4.1 Attributs du son ==== * **Hauteur :** Liée à la fréquence (grave/aigu). * **Timbre :** Lié à la forme de l'onde (harmoniques). ==== 4.2 L'effet Doppler ==== Changement de fréquence perçue dû au mouvement relatif source/observateur. * La source s'approche : le son paraît plus **aigu**. * La source s'éloigne : le son paraît plus **grave**. --- **Exercice d'application 1 : Écho** Un signal revient après 1,5 s dans l'eau (v = 1540 m . s^-1). * Distance totale : d_{total} = v . t = 1540 . 1,5 = 2310 m * Profondeur : h = (d_{total})/(2) = 1155 m **Exercice d'application 2 : Niveau sonore** Si I = 2,5 . 10^-2 W . m^-2 : L = 10 . log((2,5 . 10^-2)/(1,0 . 10^-12)) approx 104 dB ===== Résumé ===== * **Vitesse air :** v approx 340 m . s^-1 * **Relation fréquence/période :** f = (1)/(T) * **Relation fondamentale :** lambda = (v)/(f) * **Niveau sonore :** L = 10 . log((I)/(I_0)) * **Effet Doppler :** Décalage de fréquence lié au mouvement.