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Piste : • Voyage au Cœur du Son : Les Ondes Sonores
cours:lycee:sti2d:terminale_technologique:physique_chimie:les_ondes_sonores

Table des matières

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.

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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.
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