Lycée · 1ʳᵉ · Enseignement scientifique
Son et musique
Ondes sonores, hauteur, timbre et numérisation — programme d'Enseignement scientifique de 1re générale
À propos de cette page
Sans document · Les réponses doivent être rédigées et justifiées. Soigne l'orthographe et la présentation.
Devoir surveillé de fin de chapitre, tout en niveau difficile. Travaille seul et sans aide, puis vérifie tes réponses avec le corrigé détaillé dépliable en bas de page.
Exercice 1 — Propagation du son
/ 4 pts- Un orage éclate. On entend le tonnerre $5{,}0$ s après l'éclair. Sachant que la célérité du son dans l'air est $v = 340 \text{ m/s}$ :
(a) Calcule la distance à l'orage (en km).
(b) Pourquoi voit-on l'éclair avant d'entendre le tonnerre ? - La célérité du son est-elle la même dans l'air, l'eau et l'acier ? Classe ces milieux par ordre de célérité croissante et explique.
Exercice 2 — Fréquence, période et longueur d'onde
/ 4 pts- Un diapason émet un La à $f = 440 \text{ Hz}$.
(a) Calcule la période $T$ de ce son (en millisecondes, arrondi à 0,01 ms).
(b) Calcule la longueur d'onde $\lambda$ dans l'air ($v = 340 \text{ m/s}$).
(c) La note La de l'octave supérieure a-t-elle une longueur d'onde plus grande ou plus petite ? Justifie.
Exercice 3 — Niveau sonore et dangers auditifs
/ 4 pts- On mesure l'intensité sonore d'une salle de concert : $I = 10^{-2} \text{ W/m}^2$. ($I_0 = 10^{-12} \text{ W/m}^2$)
(a) Calcule le niveau sonore $L$ en dB.
(b) Ce niveau est-il dangereux pour l'audition ? À partir de quelle durée le risque apparaît-il selon les normes (> 85 dB) ?
(c) Si on s'éloigne et que l'intensité est divisée par 100, quel est le nouveau niveau sonore ?
Exercice 4 — Timbre et spectre harmonique
/ 4 pts- Un violon et une flûte jouent tous deux la note Sol ($f_0 = 392 \text{ Hz}$).
(a) Ont-ils la même hauteur ? Justifie.
(b) Ont-ils le même timbre ? Explique le rôle du spectre des harmoniques.
(c) La deuxième harmonique du Sol est à quelle fréquence ?
Exercice 5 — Numérisation du son
/ 4 pts- Un enregistrement audio est réalisé avec les paramètres suivants : fréquence d'échantillonnage $f_e = 22\,050 \text{ Hz}$, quantification sur $n = 16 \text{ bits}$, signal mono (1 canal).
(a) Quelle est la fréquence maximale fidèlement enregistrée ? (théorème de Shannon)
(b) Calcule le débit binaire de cet enregistrement (en bits/s).
(c) Combien de niveaux de quantification possède ce système ?
(d) Un autre enregistrement utilise $f_e = 44\,100 \text{ Hz}$ avec les mêmes paramètres. Quel est le rapport de taille des deux fichiers pour la même durée ?
Corrigé détaillé — à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie
Exercice 1 — Propagation du son
Corrigé :
(a) $d = v \times t = 340 \times 5{,}0 = 1700 \text{ m} = 1{,}7 \text{ km}$.
(b) La lumière se propage à $3 \times 10^8 \text{ m/s}$, bien plus vite que le son ($340 \text{ m/s}$) : l'éclair est perçu quasi instantanément, le tonnerre met 5 s à arriver.
Classement croissant : air ($\approx 340$ m/s) < eau ($\approx 1480$ m/s) < acier ($\approx 5100$ m/s). Dans les solides, les atomes sont plus liés et transmettent plus efficacement les vibrations.
Exercice 2 — Fréquence, période et longueur d'onde
Corrigé :
(a) $T = \frac{1}{f} = \frac{1}{440} \approx 2{,}27 \times 10^{-3} \text{ s} = 2{,}27 \text{ ms}$.
(b) $\lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{440} \approx 0{,}77 \text{ m}$.
(c) L'octave supérieure est à $880 \text{ Hz}$, donc $\lambda' = \frac{340}{880} \approx 0{,}39 \text{ m}$. La longueur d'onde est deux fois plus petite : quand $f$ double, $\lambda$ est divisée par 2 (à vitesse constante).
Exercice 3 — Niveau sonore et dangers auditifs
Corrigé :
(a) $L = 10 \log\left(\frac{10^{-2}}{10^{-12}}\right) = 10 \log(10^{10}) = 10 \times 10 = 100 \text{ dB}$.
(b) Oui, 100 dB est dangereux. Les normes fixent le seuil de risque à 85 dB ; à 100 dB, la durée maximale d'exposition sans protection est de l'ordre de 15 minutes.
(c) Diviser $I$ par 100 ($= 10^2$) diminue $L$ de $10 \log(100) = 20 \text{ dB}$ : $L' = 100 - 20 = 80 \text{ dB}$.
Exercice 4 — Timbre et spectre harmonique
Corrigé :
(a) Oui, ils ont la même hauteur : la hauteur est déterminée par la fréquence fondamentale $f_0 = 392 \text{ Hz}$, identique pour les deux instruments.
(b) Non, leur timbre diffère : la répartition des amplitudes des harmoniques ($2f_0, 3f_0, 4f_0, \dots$) est différente. La flûte a peu d'harmoniques et un timbre doux ; le violon en a beaucoup avec des amplitudes élevées, donnant un timbre riche.
(c) La deuxième harmonique (ou premier harmonique) est à $2 \times 392 = 784 \text{ Hz}$.
Exercice 5 — Numérisation du son
Corrigé :
(a) $f_{max} = f_e/2 = 22\,050/2 = 11\,025 \text{ Hz} \approx 11 \text{ kHz}$. On peut reproduire fidèlement les sons jusqu'à 11 kHz.
(b) $D = f_e \times n \times N_{canaux} = 22\,050 \times 16 \times 1 = 352\,800 \text{ bits/s}$.
(c) $2^{16} = 65\,536$ niveaux de quantification.
(d) Le deuxième enregistrement a $f_e$ double, donc un débit double et une taille de fichier double pour la même durée : rapport = 2.
Ce contrôle de enseignement scientifique 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Son et musique » : 5 exercices, 60 minutes, noté sur 20. Le corrigé détaillé est dépliable sous le sujet.
- Exercice 1 — Propagation du son/ 4 pts
- Exercice 2 — Fréquence, période et longueur d'onde/ 4 pts
- Exercice 3 — Niveau sonore et dangers auditifs/ 4 pts
- Exercice 4 — Timbre et spectre harmonique/ 4 pts
- Exercice 5 — Numérisation du son/ 4 pts
Notions évaluées
Nature et propagation du son, Caractéristiques d'un son : fréquence et période, Hauteur et gamme musicale, Intensité sonore et niveau sonore, Timbre et spectre en fréquences, Numérisation du son.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours.
- Refaire les exercices corrigés et les compréhension.
- Se tester avec le QCM (37 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 60 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
Voir tous les contrôles de enseignement scientifique 1ʳᵉ · tous les devoirs surveillés corrigés
Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Son et musique » ?
- 60 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé détaillé se déplie sous le sujet, à n'ouvrir qu'après avoir rendu la copie.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 60 minutes. Pour une interrogation courte, garde un ou deux exercices ; pour un DS ou un contrôle de fin de chapitre, fais le sujet entier en temps limité.
- Ce sujet suit-il le programme de enseignement scientifique de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Son et musique » du programme officiel de enseignement scientifique en première, soit Nature et propagation du son, Caractéristiques d'un son : fréquence et période, Hauteur et gamme musicale, Intensité sonore et niveau sonore.
Cours particuliers de enseignement scientifique à Marseille, en présentiel ou à distance — un prof qui s'adapte à ton rythme et reprend ce qui coince.
Soutien scolaire à Marseille · Cours particuliers au lycée · Aide aux devoirs