2GT.14. Émission et perception d’un son

Les élèves doivent savoir
  • Décrire le principe de l’émission d’un signal sonore par la mise en vibration d’un objet et l’intérêt de la présence d’une caisse de résonance.
  • Expliquer le rôle joué par le milieu matériel dans le phénomène de propagation d’un signal sonore.
  • Citer une valeur approchée de la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air et la comparer à d’autres valeurs de vitesses couramment rencontrées.
  • Mesurer la vitesse d’un signal sonore.
  • Définir et déterminer la période et la fréquence d’un signal sonore notamment à partir de sa représentation temporelle.
  • Utiliser une chaîne de mesure pour obtenir des informations sur les vibrations d’un objet émettant un signal sonore.
  • Mesurer la période et la fréquence d’un signal sonore périodique.
  • Utiliser un dispositif comportant un microcontrôleur pour produire un signal sonore.
  • Capacités mathématiques : identifier une fonction périodique et déterminer sa période.
  • Citer les domaines de fréquences des sons audibles, des infrasons et des ultrasons.
  • Relier qualitativement la fréquence à la hauteur d’un son audible.
  • Relier qualitativement intensité sonore et niveau d’intensité sonore.
  • Exploiter une échelle de niveau d’intensité sonore et citer les dangers inhérents à l’exposition sonore.
  • Enregistrer et caractériser un son (hauteur, timbre, niveau d’intensité sonore..) à l’aide d’un dispositif expérimental dédié, d’un smartphone…

Rappels du collège

Au collège vus avez vu que le son est une vibration perçue par une membrane, le tympan, dans nos oreilles et que cette membrane vibre sous l’impact des molécules de l’air mises en mouvement par un émetteur vibrant. La vibration initiale de l’émetteur crée une onde sonore qui se propage dans l’air et qui nécessite donc des molécules pour cela : le son ne se propage pas dans le vide.

Caisse de résonance

Exemple : la caisse de résonance d’une guitare

La vibration qui est à l’origine d’un son est souvent insuffisante pour que nous puissions la percevoir à distance. Ainsi, dans un instrument à corde, comme la guitare, l’amplitude de la vibration des cordes doit être amplifié à l’intérieur d’une caisse de résonnance (ou par un système électronique dans le cas des guitares électriques) afin de pouvoir être audible. La conception de cette caisse de résonnance (choix de la forme, des matériaux…) va également modifier le son.

En effet, la vibration des cordes est amplifié par la caisse et transmise à la table (la partie plate sous les cordes, qui contient la rosace – le trou) qui va se mettre à vibrer à son tour afin de projeter le son.

Une caisse de résonance sert donc à amplifier les sons et peut les modifier.

Propagation du son

Le son a besoin d’un support pour se propager : l’air ou un autre gaz, un liquide ou un solide. Mais le son ne peut pas se propager dans le vide, car le son, pour se propager, a besoin de matière à perturber :

En vibrant, la membrane d’un haut-parleur « pousse » les molécules qui se trouvent en contact avec elle. Ce choc va se propager aux molécules voisines à la façon des vagues qui se propagent autour d’un caillou jeté dans l’eau.

Vitesse du son

La vitesse du son va dépendre de la concentration des molécules du milieu dans lequel le son se propage.

Dans l’air, le son se propage à la vitesse d’environ 340 m.s-1 (à 16°C sous une pression normale de 1013 hPa).

Dans des milieux plus denses, le son peut se propager beaucoup plus rapidement car les molécules sont plus proches les unes des autres et la vibration se transmet donc plus rapidement :

           Matériaux            Vitesse du son (en m.s-1)
           Air            340
           Eau            1 480
           Glace            3 200
           Verre            5 300
           Acier            Environ 5 700

La vitesse du son dans l’air dépend donc aussi de la température et de la pression car ces deux valeurs ont une influence sur la distance entre les molécules d’air.

Pour les ultrasons, la vitesse de propagation est la même puisque ce sont simplement des sons de fréquence élevés. Les tissus humains ayant une densité proche de l’eau (le corps humain en est composé à 70 %), la vitesse des ultrasons est donc proche de 1 500 m.s-1.

Cette information permet à la machine de reconstituer l’image des tissus humain en mesurant le temps mis aux ultrasons pour revenir à l’émetteur, sachant que ceux-ci sont renvoyés à chaque interface entre tissus différents (exemple : passage du muscle à l’os).

Échographie

L’échographie va utiliser des ondes sonores que nous ne pouvons pas percevoir : les ultra-sons, dont les fréquences sont comprises entre 20 000 Hz et 70 000 Hz.

L’oreille humaine ne perçoit les sons que dans la plage de 20 Hz à 20 000 Hz (théorique). Certains animaux vont percevoir les ultra-sons et s’en servent même pour se diriger ou repérer leurs proies comme les dauphins ou les chauves-souris.

Dans une échographie, les ultra-sons envoyés par la sonde vont être réfléchis par les interfaces entre tissus de nature différentes. La sonde émet les ultra-sons et reçoit leur écho. Un ordinateur va ensuite convertir cet écho en image compréhensible par le médecin.

Les sonars de bateaux fonctionnent sur le même principe d’émission et de réception d’ultrasons, et les radars également, mais en utilisant d’autres types d’ondes : des ondes électromagnétiques.

Calculer des distances avec le son : échographie et sonar

Comme toutes les vitesses, la vitesse (célérité) du son se calcule en divisant la distance parcourue par le temps mis par le son pour parcourir cette distance.

Dans le cas d’un sonar, l’onde sonore est émise par l’appareil au temps t0 et va aller jusqu’au banc de poisson, qui se trouve à une distance d, puis revenir et parcourir à nouveau cette distance d, avant d’être capté à nouveau par le bateau au temps t1. Pendant la durée Δt=t1-t0, le son a donc parcouru deux fois la distance d :

v_{\text {son}}=\frac{\text {distance}}{\text {durée}} \text {iciv}_{\text {son}}=\frac{2 d}{\Delta t} \text { donc } 2 d=v_{\text {son}} \times \Delta t \text { et } d=\frac{v_{\text {son}} \times\left(t_{1}-t_{0}\right)}{2}

Les ondes sonores : période et fréquence

Une onde est une « ondulation » qui peut se transmettre par différents types de supports : surface de l’eau, molécules dans l’air, lumière…

Les ondes sonores sont périodiques : si on les affiche, on constate qu’elles forment des motifs qui se répètent. Elles possèdent deux caractéristiques principales qui sont visibles directement lorsqu’on visualise les ondes sur un oscilloscope ou dans un logiciel de musique : leur période et leur amplitude (« hauteur » de l’onde).

La période noté T, est le plus petit intervalle de temps au bout duquel un « motif » se répète. La période est une durée et son unité est donc la seconde (s).

La fréquence notée N, est le nombre de périodes par secondes, c’est l’inverse de la période. Son unité est le Hertz (Hz).

f=\frac{1}{T} \text { ou } T=\frac{1}{f}

Hauteur du son et timbre

Plus la fréquence d’un son est élevée, plus ce son est aigu. A l’inverse, un son de fréquence basse sera plus grave.

En musique, certaines fréquences bien particulières correspondent à des notes de musiques. Par exemple le la3 correspond à la fréquence de 440 Hz en musique occidentale. On parle de hauteur d’un son.

Cette attribution des fréquences, hauteurs, à des notes a évoluée au cours de l’histoire musicale et n’est pas la même dans les styles musicaux orientaux.

Même si deux instruments jouent à la même hauteur (même note), la forme de leur courbe d’onde ne sera pas la même et cela permettra de les différencier : le timbre d’un son est l’ensemble des caractéristiques (forme d’onde) qui permettent de distinguer les sons de même hauteur :

Perception du son par les oreilles

Nos oreilles humaines ne peuvent pas percevoir toutes les fréquences sonores. Lorsqu’elles fonctionnent correctement, le domaine perceptible par l’homme est compris entre 20 Hz et 20 kHz. Mais ces valeurs varient entre les individus et la perception des hautes fréquences diminue avec l’âge.

En dessous de 20 Hz on parle d’infrasons.

Au-dessus de 20 kHz on parle d’ultrasons.

La fréquence moyenne de la voix humaine se situe autour de 200 Hz.

Intensité sonore

Nous avons vu qu’une des caractéristiques du son est l’amplitude sonore, qui correspond à l’intensité du son. Nos oreilles ne réagissent pas proportionnellement à cette intensité et afin de correspondre à notre perception du son, le niveau sonore s’exprime en décibel (dB) qui est une unité non proportionnelle à l’intensité sonore mais qui suit une échelle logarithmique : à chaque fois qu’un son augmente de 3 décibel, son niveau sonore est doublé.

On mesure cette intensité sonore avec un sonomètre. Il est à noter que la plupart des smartphones sont capable d’évaluer cette intensité avec leurs micros, mais qu’ils ne sont pas étalonnés pour donner une intensité sonore absolue. L’étalonnage est possible si on règle le smartphone avec un sonomètre.

Si nous sommes soumis à des intensités sonores trop élevées, cela peut endommager définitivement notre système auditif !

Les sons en-dessus de 0dB ne sont pas perceptibles par nos oreilles et un son d’une intensité supérieure à 65 dB engendre une fatigue auditive qui se répercutera sur tout l’organisme. Au-delà de 85 dB apparait le seuil de douleur qu’il faut éviter de dépasser car toute exposition prolongée est susceptible de détruire les cils de l’oreille interne qui permettent l’audition.

N’oubliez pas que l’intensité sonore double tous les 3 décibel. Un son de 80 dB est donc environ 28 fois plus fort qu’un son de 60 dB !

Évitez donc de vous exposer au bruit, en particulier en portant des écouteurs à haut volume ou en fréquentant les concerts et les discothèques sans protections auditives.

Il n’y a aucun moyen médical de réparer les cils auditifs qui ont été détruits !

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