Ressources · 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
Sujet et corrigé prêts à imprimer.
Devoir surveillé – Son : caractéristiques et perception
Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ
Tous les calculs doivent figurer sur la copie. Les résultats seront donnés sous la forme la plus simple possible.
Exercice 1 – Oscillogramme d'un signal sonore
(4 pts)- a)Un microphone enregistre un son périodique : on relève 4 périodes complètes en 18,0 ms. Calculer la période T du son, en secondes.
- b)En déduire la fréquence f du son.
- c)La célérité du son dans l'air de la salle vaut 347 m·s⁻¹. Calculer la longueur d'onde λ du son.
- d)Indiquer, en justifiant, si ce son est audible par l'oreille humaine.
Exercice 2 – Intensité et niveau d'intensité sonore
(4 pts)- a)Un ventilateur produit un niveau d'intensité sonore de 58 dB. Calculer l'intensité sonore correspondante (I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²).
- b)Un autre appareil produit une intensité sonore de 8,0 × 10⁻⁴ W·m⁻². Calculer le niveau d'intensité sonore correspondant.
- c)Quatre ventilateurs identiques au premier fonctionnent simultanément au même endroit. Déterminer le niveau d'intensité sonore total.
- d)Un élève affirme que quatre ventilateurs de 58 dB produisent 232 dB. Expliquer son erreur.
Exercice 3 – Corde vibrante et harmoniques
(4 pts)- a)Une corde tendue entre deux extrémités fixes, de longueur L = 0,72 m, émet un fondamental de fréquence f₁ = 196 Hz. Calculer la célérité de l'onde sur cette corde.
- b)Calculer la fréquence de l'harmonique de rang 3.
- c)Le musicien raccourcit la longueur vibrante, sans modifier la tension, pour obtenir un fondamental de 294 Hz. Calculer la nouvelle longueur vibrante L'.
- d)Justifier que la longueur d'onde du mode fondamental sur la corde initiale vaut 1,44 m.
Exercice 4 – Source ponctuelle isotrope
(4 pts)- a)Une enceinte, assimilée à une source ponctuelle isotrope, rayonne une puissance sonore P = 0,50 W. Calculer l'intensité sonore reçue à 4,0 m de l'enceinte.
- b)En déduire le niveau d'intensité sonore en ce point.
- c)Déterminer la distance à laquelle le niveau d'intensité sonore n'est plus que de 84 dB.
- d)Montrer que le passage de la position de la question a) à celle de la question c) correspond bien à une baisse de 10 dB.
Exercice 5 – Spectres et perception
(4 pts)- a)Deux instruments jouent simultanément. Le spectre du son X présente des raies à 349 Hz, 698 Hz, 1047 Hz et 1396 Hz ; celui du son Y des raies à 349 Hz, 1047 Hz et 1745 Hz. Déterminer la fréquence du fondamental de chaque son et conclure sur leur hauteur.
- b)Calculer la période commune à ces deux sons.
- c)Indiquer les rangs des harmoniques présents dans chaque spectre et en déduire quelle caractéristique distingue les deux sons.
- d)Le son X est émis à 87 dB et le son Y à 81 dB. Déterminer le rapport de leurs intensités sonores.
Bon courage !
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Voir le corrigé et le barème
Corrigé et barème – Son : caractéristiques et perception
Durée : 120 min – Calculatrice interdite – Sur 20 points · Spécialité Physique-Chimie 1ʳᵉ
Exercice 1 – Oscillogramme d'un signal sonore
(4 pts)- a)T = 18,0 × 10⁻³ / 4 = 4,50 × 10⁻³ s, soit T = 4,50 ms. (1)
- b)f = 1/T = 1 / (4,50 × 10⁻³) = 222 Hz. (1)
- c)λ = v/f = 347 / 222 = 1,56 m. (1)
- d)222 Hz appartient à l'intervalle 20 Hz – 20 kHz : le son est audible, et plutôt grave. (1)
Erreur fréquente — La durée lue à l'écran contient plusieurs périodes : diviser par leur nombre avant de calculer la fréquence, et convertir les millisecondes en secondes.
Exercice 2 – Intensité et niveau d'intensité sonore
(4 pts)- a)I = I₀ × 10^(58/10) = 1,0 × 10⁻¹² × 10^5,8 = 6,31 × 10⁻⁷ W·m⁻². (1)
- b)L = 10 log(8,0 × 10⁻⁴ / 1,0 × 10⁻¹²) = 10 log(8,0 × 10⁸) = 89,0 dB. (1)
- c)L'intensité est multipliée par 4 : L = 58 + 10 log 4 = 58 + 6,0 = 64,0 dB. (1)
- d)Le décibel mesure un logarithme de rapport d'intensités : les niveaux ne s'additionnent pas. Il faut additionner les intensités (4I) puis revenir au niveau, ce qui donne 64,0 dB — une valeur de 232 dB dépasserait largement le seuil de douleur. (1)
Le point clé — Toute addition de sources se traite sur les intensités en W·m⁻², jamais sur les niveaux en décibels.
Exercice 3 – Corde vibrante et harmoniques
(4 pts)- a)f₁ = v/(2L) donc v = 2 L f₁ = 2 × 0,72 × 196 = 282 m·s⁻¹. (1)
- b)f₃ = 3 f₁ = 3 × 196 = 588 Hz. (1)
- c)La tension étant inchangée, v reste égale à 282,2 m·s⁻¹ : L' = v/(2f₁') = 282,2 / (2 × 294) = 0,48 m. (1)
- d)Le mode fondamental correspond à une demi-longueur d'onde entre les extrémités fixes : λ₁ = 2L = 2 × 0,72 = 1,44 m. Vérification : λ₁ = v/f₁ = 282,2/196 = 1,44 m. (1)
Repère — La célérité d'une onde sur une corde dépend de sa tension et de sa masse linéique, pas de sa longueur : raccourcir la corde ne change que la fréquence.
Exercice 4 – Source ponctuelle isotrope
(4 pts)- a)I = P / (4π d²) = 0,50 / (4π × 4,0²) = 0,50 / 201 = 2,5 × 10⁻³ W·m⁻². (1)
- b)L = 10 log(2,5 × 10⁻³ / 1,0 × 10⁻¹²) = 10 log(2,5 × 10⁹) = 94,0 dB. (1)
- c)I' = I₀ × 10^8,4 = 2,51 × 10⁻⁴ W·m⁻², d'où d' = √(P / (4π I')) = √(0,50 / 3,16 × 10⁻³) = √158 = 12,6 m. (1)
- d)ΔL = 20 log(d'/d) = 20 log(12,6/4,0) = 20 log(3,15) = 10,0 dB : le niveau passe bien de 94,0 dB à 84,0 dB. (1)
Attention — L'intensité varie comme l'inverse du carré de la distance : un écart de niveau s'écrit 20 log(d'/d), et non 10 log(d'/d).
Exercice 5 – Spectres et perception
(4 pts)- a)Pour X : 698 = 2 × 349, 1047 = 3 × 349, 1396 = 4 × 349. Pour Y : 1047 = 3 × 349, 1745 = 5 × 349. Les deux fondamentaux valent f₁ = 349 Hz : les deux sons ont la même hauteur. (1)
- b)T = 1/f₁ = 1/349 = 2,87 × 10⁻³ s, soit 2,87 ms. (1)
- c)X contient les rangs 1, 2, 3 et 4 ; Y seulement les rangs impairs 1, 3 et 5. Les spectres diffèrent alors que la hauteur est identique : les deux sons se distinguent par leur timbre. (1)
- d)I_X / I_Y = 10^((87−81)/10) = 10^0,6 = 4,0 : l'intensité du son X est environ quatre fois celle du son Y, pour un écart de seulement 6 dB. (1)
À retenir — Même hauteur, même période, spectres différents : c'est la définition même du timbre.
Ce document est la propriété intellectuelle de Ben, professeur particulier (benprofparticulier.fr), protégée par le Code de la propriété intellectuelle (art. L. 111-1 et L. 122-4). Il est mis à disposition pour un usage personnel de révision. Toute reproduction, diffusion, mise en ligne ou revente, totale ou partielle, sans autorisation écrite est interdite et constitue une contrefaçon (art. L. 335-2).
Ce contrôle de spécialité physique-chimie 1ʳᵉ en bref
Un devoir surveillé type contrôle en classe sur « Son : caractéristiques et perception » : 5 exercices, 120 minutes, noté sur 20. Le sujet et le corrigé sont téléchargeables en PDF, prêts à imprimer, pour travailler comme en classe.
- Exercice 1 — Oscillogramme d'un signal sonore/ 4 pts
- Exercice 2 — Intensité et niveau d'intensité sonore/ 4 pts
- Exercice 3 — Corde vibrante et harmoniques/ 4 pts
- Exercice 4 — Source ponctuelle isotrope/ 4 pts
- Exercice 5 — Spectres et perception/ 4 pts
Notions évaluées
L'essentiel : grandeurs du son, Émission d'un son : vibration et modes propres, Période, fréquence, longueur d'onde et célérité, Intensité sonore et niveau d'intensité sonore, Perception : hauteur, timbre et sensation auditive, Méthodes.
Pour préparer ce contrôle
- Relire le cours.
- Refaire les exercices corrigés.
- Se tester avec le QCM (24 questions).
- Faire ce sujet en conditions réelles — 120 min, sans le cours — puis se corriger et noter les points à revoir.
Voir tous les contrôles de spécialité physique-chimie 1ʳᵉ · tous les devoirs surveillés corrigés
Questions fréquentes sur ce sujet
- Combien de temps dure ce contrôle sur « Son : caractéristiques et perception » ?
- 120 minutes pour 5 exercices notés sur 20. Prévois le double si tu enchaînes avec la correction.
- Le corrigé est-il fourni ?
- Oui : le corrigé complet est fourni en PDF (bouton « Télécharger le corrigé »), avec le barème exercice par exercice.
- Ce sujet peut-il servir de DS, de contrôle ou d'interrogation ?
- Oui : c'est un devoir surveillé complet de 120 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 spécialité physique-chimie de première ?
- Oui : il évalue uniquement les notions du chapitre « Son : caractéristiques et perception » du programme officiel de spécialité physique-chimie en première, soit L'essentiel : grandeurs du son, Émission d'un son : vibration et modes propres, Période, fréquence, longueur d'onde et célérité, Intensité sonore et niveau d'intensité sonore.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
Prof de physique-chimie à Marseille · Cours particuliers au lycée · Aide aux devoirs