Son : émission, propagation et perception

Complète avec le mot du cours.

1. Un signal sonore est émis par un objet mis en .
   Tout son naît d’une vibration : un va-et-vient rapide autour d’une position d’équilibre.
2. En vibrant, la membrane d’un haut-parleur comprime puis l’air qui la touche.
   La membrane comprime puis dilate (détend) l’air : des zones comprimées et dilatées se succèdent.
3. Reliée à une caisse de , une corde donne un son bien plus fort que seule.
   La caisse de résonance vibre avec la corde : sa grande surface amplifie le son.
4. Le son est une onde : il lui faut un milieu matériel pour se propager.
   Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel (gaz, liquide, solide).
5. Le tympan de l’oreille et la membrane d’un microphone sont des : ils vibrent à leur tour.
   Ce sont des récepteurs : les variations de pression de l’air les font vibrer.

Une altiste frotte une corde de son alto avec l’archet. Un spectateur est assis à 15 m.

1. Ce qui vibre en premier : la frottée par l’archet.
   L’archet met la corde en vibration : c’est elle qui émet d’abord.
2. Le chevalet transmet la vibration de la corde à la caisse, de grande surface : le son est .
   La caisse vibre avec la corde et met en mouvement beaucoup plus d’air que la corde seule : le son est amplifié.
3. Avec ou sans caisse, la corde donnerait la même note ; la caisse modifie en revanche le du son.
   La caisse amplifie le son et modifie son timbre : c’est en partie elle qui fait qu’un alto ne sonne pas comme un violon jouant la même note.
4. Ce qui a parcouru les 15 m jusqu’au spectateur, c’est la , pas l’air qui touche l’alto.
   Chaque tranche d’air pousse la suivante puis revient à sa place : seule la perturbation avance, avec l’énergie qu’elle transporte.

Raisonne avec le rôle du milieu et de la caisse de résonance.

1. Dans un film de science-fiction, on entend un vaisseau exploser dans l’espace. C’est impossible : l’espace est presque vide, et aucun matériel ne transmet la vibration jusqu’à la caméra.
   Entre le vaisseau et la caméra, il n’y a presque pas de matière : sans milieu matériel, la vibration ne se transmet pas. On verrait l’explosion, car la lumière traverse le vide, mais on n’entendrait rien.
2. Quand on croque une biscotte, on entend fort le craquement, en partie transmis par les os du crâne : le son se propage aussi dans un .
   Les os sont un solide : la vibration s’y transmet de proche en proche, et même plus vite que dans l’air.
3. Un téléphone qui vibre s’entend à peine dans la main, mais fort une fois posé sur une table en bois : la table, de grande surface, met beaucoup plus d’ en mouvement.
   La table vibre avec le téléphone : sa grande surface met beaucoup plus d’air en mouvement. Elle joue le rôle d’une caisse de résonance.
4. Une onde sonore transporte de l’ sans transporter de matière.
   Le son est une onde mécanique : il transporte de l’énergie (il peut faire vibrer un tympan), mais la matière du milieu reste en moyenne sur place.

Calcule avec v = d ÷ Δt ou ses formes. Dans l’air, prends v = 343 m/s.

1. Un son parcourt 1 715 m dans l’air en s.
   Δt = d ÷ v = 1 715 ÷ 343 = 5,0 s.
2. En 0,20 s, le son parcourt dans l’air m.
   d = v × Δt = 343 × 0,20 = 68,6 m.
3. Un claquement met 12 ms pour parcourir 4,1 m : sa vitesse vaut environ m/s.
   Δt = 12 ms = 0,012 s ; v = d ÷ Δt = 4,1 ÷ 0,012 ≈ 342 m/s.
4. Un avion de ligne vole à 900 km/h, soit m/s.
   900 km/h = 900 000 m ÷ 3 600 s = 250 m/s.
5. Le son dans l’air (343 m/s) va environ fois plus vite que cet avion (au dixième).
   343 ÷ 250 ≈ 1,37, soit environ 1,4 fois plus vite.

Dans une station de ski, les pisteurs déclenchent une avalanche à l’explosif. Un skieur voit le panache de neige, puis entend la détonation 7,5 s plus tard. L’air est à −5 °C : on prend 328 m/s pour la vitesse du son.

1. Distance entre le skieur et le tir : environ m.
   La lumière arrive presque instantanément : le son parcourt d en 7,5 s. d = v × Δt = 328 × 7,5 = 2 460 m, soit environ 2,46 km.
2. Règle pratique : distance en km ≈ nombre de secondes ÷ 3. Elle donne ici km.
   7,5 ÷ 3 = 2,5 km : proche des 2,46 km calculés (en 3 s, le son parcourt 328 × 3 = 984 m ≈ 1 km).
3. Le skieur descend vers le couloir. Au tir suivant, le délai n’est plus que de 4,8 s : il est alors à environ m du tir.
   d′ = 328 × 4,8 = 1 574,4 m ≈ 1 574 m.
4. Entre les deux tirs, il s’est rapproché d’environ m.
   2 460 − 1 574,4 = 885,6 m ≈ 886 m, soit environ 0,89 km. Par le froid, le son va moins vite qu’à 20 °C (343 m/s).

Face au mur d’un barrage, une élève frappe dans ses mains en déclenchant un chronomètre, puis l’arrête en entendant l’écho : elle lit 1,36 s. Ce jour-là, la vitesse du son dans l’air vaut 344 m/s.

1. Distance entre l’élève et le mur : environ m.
   Le son fait l’aller-retour : il parcourt 2d en 1,36 s. d = v × Δt ÷ 2 = 344 × 1,36 ÷ 2 ≈ 234 m.
2. Un camarade trouve 468 m : il a oublié de diviser par .
   344 × 1,36 ≈ 468 m est la distance totale parcourue, aller et retour : il fallait diviser par 2.
3. L’oreille ne sépare l’écho du son direct que si le décalage atteint 0,1 s. Distance minimale au mur pour entendre un écho : environ m.
   Il faut 2d ≥ 344 × 0,1 = 34,4 m, donc d ≥ 17,2 m.
4. Son temps de réaction fausse la durée d’environ 0,2 s. Erreur qui en résulte sur la distance : environ m.
   344 × 0,2 ÷ 2 ≈ 34 m, soit 34 ÷ 234 ≈ 15 % : la mesure au chronomètre est peu précise. Un micro relié à une interface d’acquisition ferait mieux.

Calcule. Convertis toujours la période en secondes.

1. T = 5,0 ms : f = Hz
   T = 5,0 × 10⁻³ s ; f = 1 ÷ 0,0050 = 200 Hz.
2. f = 1,28 kHz : T ≈ ms (au millième)
   T = 1 ÷ 1 280 ≈ 7,81 × 10⁻⁴ s, soit 0,781 ms.
3. T = 0,25 ms : f = kHz
   T = 2,5 × 10⁻⁴ s ; f = 1 ÷ 0,00025 = 4 000 Hz = 4 kHz.
4. f = 250 Hz : T = ms
   T = 1 ÷ 250 = 0,004 s = 4 ms.

Un micro placé devant un haut-parleur est relié à un oscilloscope. Balayage : 0,5 ms/div ; sensibilité verticale : 20 mV/div. Trois périodes complètes occupent 8,7 divisions, et le sommet du signal est 2,8 divisions au-dessus de l’axe central.

1. Période : T = ms
   Les 3 périodes durent 8,7 × 0,5 = 4,35 ms ; T = 4,35 ÷ 3 = 1,45 ms.
2. Fréquence : f ≈ Hz
   f = 1 ÷ 0,00145 ≈ 690 Hz : son audible.
3. Amplitude de la tension : mV
   2,8 × 20 = 56 mV.
4. Un camarade lit une seule période, sur 3,0 divisions. Il trouve f ≈ Hz.
   T′ = 3,0 × 0,5 = 1,5 ms ; f′ = 1 ÷ 0,0015 ≈ 667 Hz.
5. Écart relatif entre sa valeur et celle obtenue sur trois périodes : environ %
   (689,7 − 666,7) ÷ 689,7 ≈ 0,033, soit environ 3 %. L’erreur de lecture est la même sur une ou trois périodes ; divisée par 3, elle pèse trois fois moins sur T.

Une carte à microcontrôleur exécute en boucle ces instructions ; un buzzer est branché sur la sortie 9. delayMicroseconds(1000) fait attendre 1 000 µs.

void loop() {
  digitalWrite(9, HIGH);
  delayMicroseconds(1000);
  digitalWrite(9, LOW);
  delayMicroseconds(1000);
}

1. Durée d’un motif complet (5 V puis 0 V) : T = µs
   T = durée à 5 V + durée à 0 V = 1 000 + 1 000 = 2 000 µs.
2. Fréquence du son émis : f = Hz
   T = 2 000 µs = 0,002 s ; f = 1 ÷ 0,002 = 500 Hz.
3. Pour obtenir 400 Hz, chacune des deux attentes doit durer µs.
   T = 1 ÷ 400 = 0,0025 s = 2 500 µs, partagée en deux attentes égales : 1 250 µs.
4. Le signal alterne 5 V et 0 V sans être sinusoïdal : le son produit n’est pas un son pur, c’est un son .
   Un signal périodique non sinusoïdal donne un son complexe.

Complète avec le mot ou le nombre du cours.

1. Plus la fréquence d’un son est élevée, plus il est .
   Fréquence élevée : son aigu ; fréquence faible : son grave.
2. Deux sons de même fréquence ont la même .
   La hauteur dépend de la fréquence seule.
3. Une note de 300 Hz jouée une octave plus haut a une fréquence de Hz.
   Une octave plus haut : fréquence × 2, soit 600 Hz.
4. Le timbre d’un son est lié à la du signal.
   Même période, formes différentes : timbres différents.
5. Un son de fréquence inférieure à 20 Hz est un .
   En dessous de 20 Hz, c’est un infrason, inaudible pour l’être humain.

Quatre sons : S1, note la plus grave d’un grand orgue (tuyau de 32 pieds), 16 Hz ; S2, émetteur d’ultrasons du laboratoire, 38 kHz ; S3, alarme incendie, 2,6 kHz ; S4, note la plus grave d’un basson, 58 Hz.

1. S1 est un .
   16 Hz < 20 Hz : infrason ; on le ressent plus qu’on ne l’entend.
2. S2 est un .
   38 kHz > 20 kHz : ultrason.
3. Parmi les sons audibles, le plus aigu est .
   S3 (2 600 Hz) et S4 (58 Hz) sont entre 20 Hz et 20 kHz ; 2 600 Hz > 58 Hz : S3 est le plus aigu.
4. Période de S2 : T ≈ µs (au dixième)
   T = 1 ÷ 38 000 ≈ 2,63 × 10⁻⁵ s = 26,3 µs.

Une application de test auditif émet, toujours au même niveau sonore, une série de sons purs. Chaque son est une octave au-dessus du précédent ; la période du premier vaut 3,2 ms.

1. Fréquence du premier son : f = Hz (au dixième)
   T = 3,2 ms = 0,0032 s ; f = 1 ÷ 0,0032 = 312,5 Hz.
2. Période du deuxième son : T = ms
   Une octave plus haut, la fréquence double (625 Hz) : la période est divisée par 2, soit 3,2 ÷ 2 = 1,6 ms.
3. Le grand-père de Lina n’entend que les cinq premiers sons. Le plus aigu qu’il perçoit a une fréquence de Hz.
   Le cinquième son est 4 octaves au-dessus du premier : 312,5 × 2⁴ = 312,5 × 16 = 5 000 Hz.
4. Fréquence du septième son : Hz
   312,5 × 2⁶ = 312,5 × 64 = 20 000 Hz : c’est la limite haute du domaine audible d’une oreille jeune. Lina, 15 ans, entend encore les sept sons.
5. Lina entend les sept sons, son grand-père cinq : avec l’âge, la limite haute du domaine audible .
   Avec l’âge, les sons les plus aigus ne sont plus perçus : la limite haute baisse, ici de 20 000 Hz à moins de 10 000 Hz.

Complète avec le mot ou le nombre du cours.

1. L’intensité sonore s’exprime en watts par mètre .
   I se mesure en W/m² : watts par mètre carré.
2. Le niveau d’intensité sonore s’exprime en .
   Le niveau L s’exprime en décibels (dB).
3. Quand l’amplitude de la vibration augmente, l’intensité sonore .
   Plus l’amplitude est grande, plus I augmente, et plus le son paraît fort.
4. Une exposition prolongée à un bruit trop fort détruit les cellules de l’oreille interne.
   Les cellules ciliées ne se régénèrent pas : la perte d’audition est définitive.
5. Le seuil de douleur est atteint vers dB.
   Vers 120 dB ; mais le danger commence bien plus bas, vers 85 dB pour une exposition prolongée.

Repère : 8 h par jour à 85 dB, durée divisée par 2 à chaque hausse de 3 dB. Doubler l’intensité ajoute 3 dB ; la multiplier par 10 ajoute 10 dB.

1. Durée maximale d’exposition à 112 dB : ≈ s (à l’unité)
   112 − 85 = 27 dB = 9 tranches : 8 ÷ 2⁹ = 8 ÷ 512 = 0,015625 h, soit 0,015625 × 3 600 ≈ 56 s.
2. Durée maximale à 109 dB : ≈ min (au dixième)
   109 − 85 = 24 dB = 8 tranches : 8 ÷ 2⁸ = 8 ÷ 256 = 0,03125 h, soit 0,03125 × 60 ≈ 1,9 min.
3. Quatre bétonnières identiques produisent chacune 86 dB au même point. Ensemble : dB
   Intensité × 4 = × 2 × 2 : deux fois + 3 dB, soit 86 + 6 = 92 dB.
4. Dix ventilateurs identiques de 48 dB chacun, tous allumés : dB
   Intensité × 10 : + 10 dB, soit 58 dB.
5. Le niveau baisse de 6 dB : l’intensité sonore est divisée par .
   − 3 dB divise I par 2 ; − 6 dB la divise par 2 × 2 = 4.

Dans une patinoire, pendant un match de hockey, un sonomètre affiche 103 dB dans les tribunes. On utilise le repère de l’exercice précédent.

1. 103 dB dépasse le seuil de danger de dB.
   103 − 85 = 18 dB : au-dessus du seuil de danger, sans atteindre le seuil de douleur. Aucune douleur n’avertit le spectateur.
2. Durée d’exposition maximale à 103 dB : min
   18 dB = 6 tranches : 8 ÷ 2⁶ = 8 ÷ 64 = 0,125 h = 0,125 × 60 = 7,5 min.
3. Un spectateur porte des bouchons qui abaissent le niveau perçu de 21 dB : il perçoit dB.
   103 − 21 = 82 dB, sous le seuil de danger : pour un match de 2 h, il est protégé selon ce repère.
4. Un supporter affirme : « Deux cornes de brume identiques de 96 dB chacune font 192 dB. » En réalité, le niveau vaut dB.
   Les décibels ne s’additionnent pas : l’intensité double, le niveau gagne 3 dB, soit 99 dB.
5. Sans bouchons, un autre spectateur sort dans le hall à chaque arrêt de jeu : ces au calme réduisent sa durée d’exposition.
   Faire des pauses au calme, s’éloigner des enceintes, porter des bouchons : le danger dépend du niveau ET de la durée.