Qu'est-ce qu'une onde sonore ?

Une onde sonore est une onde mécanique longitudinale : elle nécessite un milieu matériel pour se propager et les oscillations des particules ont lieu dans la direction de propagation.

Quelle est la vitesse du son dans l'air ?

La vitesse du son dans l'air est d'environ 340 m/s à 20 °C. Elle dépend du milieu et de la température.

Quelle est la différence entre hauteur et timbre d'un son ?

La hauteur correspond à la fréquence fondamentale (grave ou aigu). Le timbre est lié à la forme du signal et aux harmoniques présentes ; il permet de distinguer deux instruments jouant la même note.

Quel est le domaine des fréquences audibles par l'oreille humaine ?

L'oreille humaine perçoit les sons entre 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons.

Lycée · 1ʳᵉ · Spécialité Physique-Chimie

Son : caractéristiques et perception

Ondes sonores, fréquence, amplitude, vitesse et perception auditive — programme de Spécialité Physique-Chimie 1re

À propos de cette page

Ce cours de spécialité physique-chimie en première sur « Son : caractéristiques et perception » suit le programme officiel de spécialité physique-chimie de première. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Nature et propagation des ondes sonores, Période, fréquence et longueur d'onde, Célérité du son dans différents milieux, Analyse d'un signal sonore : hauteur et timbre. Chaque notion est expliquée pas à pas, puis mise en pratique grâce à des exercices interactifs, un QCM et une évaluation corrigée. Idéal pour réviser à son rythme, combler ses lacunes et progresser, en autonomie ou avec un professeur. Cours rédigé par un professeur particulier à Marseille pour aider les élèves de première à réussir en spécialité physique-chimie.

Nature et propagation des ondes sonores

Le son est une onde mécanique longitudinale : il résulte de la vibration d'une source qui transmet des compressions et dilatations successives aux particules du milieu environnant.

Onde mécanique. Une onde mécanique nécessite un milieu matériel pour se propager (solide, liquide ou gaz). Le son ne se propage pas dans le vide.

Dans une onde longitudinale, les particules oscillent dans la direction de propagation (contrairement aux ondes transversales où elles oscillent perpendiculairement). On peut visualiser cela comme des zones alternées de compression (particules rapprochées) et de dilatation (particules éloignées) se déplaçant dans l'espace.

Attention ! Ce sont les perturbations qui se propagent, pas la matière elle-même. Les particules oscillent autour de leur position d'équilibre sans transport de matière.

Schéma : chaîne de propagation d'un signal sonore

Période, fréquence et longueur d'onde

Un son est caractérisé par son signal temporel, que l'on peut observer à l'oscilloscope ou avec un logiciel d'acquisition. Pour un son pur (sinusoïdal), on définit :

Période $T$. La période est la durée d'un motif élémentaire (un cycle complet). Elle s'exprime en secondes (s).
Fréquence $f$. La fréquence est le nombre de cycles par seconde : $f = \dfrac{1}{T}$ (unité : Hz = s⁻¹).

La longueur d'onde $\lambda$ est la distance parcourue par l'onde pendant une période :

$$\lambda = v \times T = \dfrac{v}{f}$$

où $v$ est la célérité (vitesse de propagation) du son dans le milieu.

Exemple. Un diapason émet un la à $f = 440$ Hz. Dans l'air ($v = 340$ m/s) : $T = \dfrac{1}{440} \approx 2{,}3 \times 10^{-3}$ s et $\lambda = \dfrac{340}{440} \approx 0{,}77$ m.

Grandeur	Symbole	Unité	Relation
Période	$T$	s	durée d'un cycle
Fréquence	$f$	Hz	$f = 1/T$
Longueur d'onde	$\lambda$	m	$\lambda = v/f$
Célérité	$v$	m/s	$v = \lambda \cdot f$

Signal temporel d'un son pur : la période T est la durée d'un cycle complet.

Célérité du son dans différents milieux

La célérité (vitesse de propagation) du son dépend du milieu traversé et de ses propriétés (élasticité, masse volumique, température).

Milieu	Célérité (m/s)
Air sec à 0 °C	331
Air sec à 20 °C	340
Eau douce (20 °C)	1 480
Eau de mer	~1 500
Acier	~5 000

La célérité augmente avec la température dans les gaz : $v \approx 331 + 0{,}6 \times \theta$ (m/s) où $\theta$ est la température en °C.

Astuce. En général : $v_{\text{solide}} > v_{\text{liquide}} > v_{\text{gaz}}$. Le son se propage d'autant plus vite que le milieu est rigide.

Exemple — écho. On entend un écho $t = 0{,}6$ s après un cri. La paroi réfléchissante est à $d = \dfrac{v \times t}{2} = \dfrac{340 \times 0{,}6}{2} = 102$ m.

Analyse d'un signal sonore : hauteur et timbre

Un son réel émis par un instrument ou une voix n'est pas sinusoïdal pur : il est la superposition de plusieurs composantes fréquentielles.

Hauteur. La hauteur d'un son est liée à sa fréquence fondamentale $f_0$ (la composante de plus basse fréquence). Un son grave a une faible $f_0$, un son aigu a une grande $f_0$.

Timbre. Le timbre est ce qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et même intensité. Il est lié à la forme du signal et à la présence et l'amplitude des harmoniques ($f_1 = 2f_0$, $f_2 = 3f_0$, …).

Le spectre en fréquence (transformée de Fourier) représente l'amplitude de chaque composante sinusoïdale. Pour un son périodique, le spectre est discret (raies aux multiples de $f_0$).

Spectre d'un son périodique : la raie la plus basse donne la fondamentale f₀ ; les autres sont des harmoniques.

Attention ! La fondamentale $f_0$ est la plus basse fréquence du spectre, pas nécessairement la plus intense.

Exemple. Un violon et une flûte jouent le même la ($f_0 = 440$ Hz) : même hauteur, mais les harmoniques différentes donnent un timbre différent.

Niveau d'intensité sonore

L'intensité sonore $I$ (en W/m²) mesure la puissance transportée par l'onde sonore par unité de surface. Elle dépend de l'amplitude des oscillations de pression.

Niveau d'intensité sonore $L$. On utilise une échelle logarithmique (décibel) : $$L = 10 \cdot \log\!\left(\dfrac{I}{I_0}\right) \quad \text{(en dB)}$$ avec $I_0 = 10^{-12}$ W/m² (seuil d'audibilité).

L'échelle logarithmique est justifiée par la réponse physiologique de l'oreille (loi de Weber-Fechner) : la sensation de sonie est proportionnelle au logarithme de l'intensité.

Situation	Niveau $L$ (dB)
Silence absolu	0
Chuchotement	20–30
Conversation normale	60–70
Trafic intense	80–90
Concert de rock	110–120
Seuil de douleur	~130

Astuce — règle pratique. Si l'intensité est multipliée par 10, le niveau augmente de 10 dB. Si elle est multipliée par 2, le niveau augmente d'environ 3 dB.

Attention ! L'amplitude dans le signal temporel (observable à l'oscilloscope) est liée à l'intensité sonore : doubler l'amplitude multiplie l'intensité par 4 (car $I \propto A^2$).

Perception auditive et domaines de fréquences

L'oreille humaine ne perçoit pas toutes les fréquences de la même façon.

Domaine audible. L'être humain perçoit les sons compris entre $20$ Hz et $20\,000$ Hz ($20$ kHz). La sensibilité est maximale autour de $1$ à $4$ kHz.

Domaine	Plage de fréquences	Exemples d'utilisation
Infrasons	$f < 20$ Hz	Séismes, communication éléphants
Sons audibles	$20$ Hz – $20$ kHz	Voix humaine, musique
Ultrasons	$f > 20$ kHz	Échographie, sonar, chauves-souris

La voix humaine couvre environ $80$ Hz à $1100$ Hz pour la parole, bien que les harmoniques s'étendent au-delà. L'audition se dégrade avec l'âge (presbyacousie) : la fréquence maximale perçue diminue.

Astuce — valeurs à retenir.

Son grave : $f < 300$ Hz environ
Son médium : $300$ Hz – $3$ kHz
Son aigu : $f > 3$ kHz
La note la₄ (diapason) : $440$ Hz

Émission et réception du son

La source sonore met en vibration le milieu environnant. La fréquence du son émis est imposée par la fréquence de vibration de la source.

Effet Doppler : lorsqu'une source sonore se déplace par rapport à un observateur, la fréquence perçue diffère de la fréquence émise.

Source qui se rapproche : fréquence perçue plus élevée (son plus aigu).
Source qui s'éloigne : fréquence perçue plus basse (son plus grave).

Exemple. L'ambulance dont la sirène semble plus aiguë en approchant et plus grave en s'éloignant illustre l'effet Doppler.

Récepteurs : microphone (convertit la pression acoustique en signal électrique), oreille (le tympan vibre et transmet l'information au système nerveux via la cochlée).

Retard sonore. Lorsqu'un son parcoure une distance $d$ à la célérité $v$, il arrive avec un retard : $$\Delta t = \dfrac{d}{v}$$

Astuce — mesurer $v_{\text{son}}$. On peut mesurer la célérité du son en mesurant le retard $\Delta t$ entre l'émission et la réception d'un signal connu à une distance $d$ connue : $v = d/\Delta t$.

À retenir

Le son est une onde mécanique longitudinale (nécessite un milieu).
$f = 1/T$ (Hz) ; $\lambda = v/f$ (m) ; $v_{\text{air}} \approx 340$ m/s à 20 °C.
Hauteur ↔ fréquence fondamentale $f_0$ ; Timbre ↔ forme du signal et harmoniques.
Niveau sonore : $L = 10 \log(I/I_0)$ en dB, avec $I_0 = 10^{-12}$ W/m².
Domaine audible : 20 Hz – 20 kHz ; infrasons ($f < 20$ Hz) ; ultrasons ($f > 20$ kHz).
Retard sonore : $\Delta t = d/v$.

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