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

La hauteur dépend de la fréquence fondamentale : plus elle est grande, plus le son est aigu. Le timbre dépend de la forme du signal (harmoniques) et permet de distinguer deux instruments jouant la même note.

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 varie selon le milieu et la température.

Qu'est-ce que le niveau sonore en décibels ?

Le niveau sonore (en dB) mesure l'intensité d'un son. À 0 dB, on est au seuil d'audibilité ; à 120 dB, on atteint le seuil de douleur.

Lycée · 2ⁿᵈᵉ · Physique-Chimie (2nde)

Le son : caractéristiques et perception

Ondes sonores, fréquence, niveau sonore et perception auditive — programme de 2nde (lycée général)

À propos de cette page

Ce cours de physique-chimie (2nde) en seconde sur « Le son : caractéristiques et perception » suit le programme officiel de physique-chimie (2nde) de seconde. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Qu'est-ce qu'une onde sonore ?, Fréquence et période d'un son, Hauteur et timbre d'un son, Vitesse de propagation du son. 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 seconde à réussir en physique-chimie (2nde).

Qu'est-ce qu'une onde sonore ?

Un son est une perturbation mécanique qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, solide). Il ne peut pas se propager dans le vide.

Définition. Une onde sonore est une onde mécanique longitudinale : les particules du milieu vibrent dans la même direction que la propagation, créant alternativement des zones de compression et de dilatation.

Le son est produit par un objet en vibration (corde de guitare, membrane d'un haut-parleur, cordes vocales…). Ces vibrations se transmettent de proche en proche aux particules du milieu.

Attention ! Ce sont les particules qui vibrent sur place ; ce n'est pas la matière qui se déplace, mais l'énergie qui se propage.

Chaîne de transmission du son depuis la source jusqu'au récepteur.

Fréquence et période d'un son

Un son périodique se répète identiquement à intervalles de temps réguliers. Le signal enregistré par un microphone peut être affiché sur un oscilloscope.

Définitions.

La période $T$ (en secondes, s) est la durée d'un motif élémentaire.
La fréquence $f$ (en hertz, Hz) est le nombre de périodes par seconde : $$f = \frac{1}{T}$$

Exemple. Un diapason vibre à $f = 440\,\text{Hz}$ (note La). Sa période est : $T = \dfrac{1}{440} \approx 2{,}27 \times 10^{-3}\,\text{s} = 2{,}27\,\text{ms}$.

Astuce. Sur l'écran d'un oscilloscope, pour lire la période, identifie deux pics successifs et lis la durée entre eux grâce à la base de temps (en ms/div).

Signal sinusoïdal d'un diapason La 440 Hz : la période $T \approx 2{,}3\,\text{ms}$ est lisible entre deux maxima consécutifs.

Grandeur	Symbole	Unité SI	Relation
Fréquence	$f$	Hertz (Hz)	$f = 1/T$
Période	$T$	Seconde (s)	$T = 1/f$

Hauteur et timbre d'un son

Deux propriétés qualitatives permettent de caractériser un son musical : sa hauteur et son timbre.

Hauteur. La hauteur d'un son est liée à sa fréquence fondamentale $f_0$ :

Son grave → $f_0$ faible (fréquence basse)
Son aigu → $f_0$ élevée (fréquence haute)

Timbre. Le timbre est la qualité du son qui permet de distinguer deux instruments jouant la même note à la même intensité. Il est lié à la forme du signal (présence d'harmoniques de fréquences $2f_0$, $3f_0$, …).

Exemple. Un violon et une flûte jouant tous les deux le La 440 Hz ont la même hauteur mais des timbres différents : leurs signaux oscilloscopiques ont des formes distinctes.

Astuce. Sur l'oscilloscope, deux sons de même hauteur ont la même période ; deux sons de même timbre ont des signaux de même forme.

Vitesse de propagation du son

Le son se propage à une vitesse finie qui dépend du milieu et de la température.

Formule de la vitesse. La vitesse $v$ du son est reliée à la distance $d$ et à la durée de propagation $\Delta t$ par : $$v = \frac{d}{\Delta t}$$

Dans l'air à 20 °C, $v \approx 340\,\text{m/s}$. Dans l'eau, $v \approx 1500\,\text{m/s}$. Dans l'acier, $v \approx 5900\,\text{m/s}$.

Comparaison de la vitesse du son dans différents milieux : le son se propage plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz.

Exemple — Orage. On voit l'éclair et on entend le tonnerre 3 s plus tard. Distance de l'orage : $d = v \times \Delta t = 340 \times 3 = 1020\,\text{m} \approx 1\,\text{km}$.

Attention ! La lumière se propage quasi instantanément ($c = 3 \times 10^8\,\text{m/s}$) ; seul le retard du son est mesurable à l'échelle humaine.

Niveau sonore et décibels

L'intensité sonore $I$ (en W/m²) est la puissance transportée par le son par unité de surface. Elle est directement liée à l'amplitude des vibrations.

On utilise en pratique le niveau sonore $L$ exprimé en décibels (dB), une échelle logarithmique plus adaptée à la perception humaine.

Échelle des niveaux sonores (repères).

Niveau (dB)	Situation
0 dB	Seuil d'audibilité
20 dB	Feuilles dans le vent
60 dB	Conversation normale
85 dB	Trafic dense — seuil de danger prolongé
110 dB	Concert de rock
120 dB	Seuil de douleur
140 dB	Avion à réaction au décollage

Propriété clé. Multiplier l'intensité sonore $I$ par 10 ajoute $10\,\text{dB}$ au niveau sonore $L$. Ainsi, $L$ augmente de 3 dB quand on double $I$.

La perception auditive

L'oreille humaine est sensible aux sons de fréquence comprise entre $20\,\text{Hz}$ et $20\,000\,\text{Hz}$ (20 kHz). Ce domaine est appelé le domaine audible (ou audible).

Domaines de fréquences.

Domaine	Fréquences	Exemples
Infrasons	$f < 20\,\text{Hz}$	Séismes, éléphants
Sons audibles	$20\,\text{Hz} \leq f \leq 20\,\text{kHz}$	Musique, voix humaine
Ultrasons	$f > 20\,\text{kHz}$	Chauves-souris, échographie

La sensibilité de l'oreille n'est pas uniforme : elle est maximale vers $1\,000$ à $4\,000\,\text{Hz}$. Pour les sons très graves ou très aigus, il faut une plus grande intensité pour les percevoir.

Exemple. Un chien perçoit des ultrasons jusqu'à environ 65 kHz, bien au-delà de la limite humaine. Les chauves-souris utilisent les ultrasons (40–100 kHz) pour l'écholocation.

Risques auditifs et prévention

Une exposition prolongée à des niveaux sonores élevés provoque des lésions irréversibles des cellules ciliées de la cochlée.

Attention ! Les dommages auditifs sont définitifs : les cellules sensorielles de l'oreille ne se régénèrent pas.

La réglementation française limite l'exposition professionnelle à 80 dB en moyenne sur 8 h, et 87 dB maximaux. Dans les lieux de musique amplifiée, le niveau moyen est limité à 102 dB.

Règle des 60/60. Pour écouter de la musique au casque sans risque : volume $\leq 60\,\%$ du maximum, durée $\leq 60$ min par session, puis pause.

Exemple — Bouchons d'oreilles. Un bouchon atténue de 20 à 30 dB. À un concert à 110 dB, l'utilisateur perçoit 80 à 90 dB, ce qui est bien plus sûr.

À retenir

Le son est une onde mécanique : il ne se propage pas dans le vide.
Période $T$ (s) et fréquence $f$ (Hz) : $f = 1/T$.
Son grave ↔ fréquence basse ; son aigu ↔ fréquence haute. Timbre = forme du signal.
Vitesse du son dans l'air à 20 °C : $v \approx 340\,\text{m/s}$ ; $v = d / \Delta t$.
Domaine audible : $20\,\text{Hz}$ à $20\,\text{kHz}$.
Niveau sonore en dB : seuil d'audibilité 0 dB, douleur 120 dB.
Protéger son ouïe : les cellules auditives ne se régénèrent pas.

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