Collège · 3ᵉ · Physique
Ondes mécaniques et son
Modélisation d'une onde, période, fréquence, célérité du son
À propos de cette page
Ce cours de physique en troisième sur « Ondes mécaniques et son » suit le programme officiel de physique de troisième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Le son : une onde mécanique, Période et fréquence : lire un oscillogramme, Hauteur, intensité, timbre, La célérité du son : d = v × t. 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 troisième à réussir en physique.
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Le son : une onde mécanique
Une corde de guitare pincée, une membrane de haut-parleur, nos cordes vocales : tout son naît d'un objet qui vibre. La vibration se transmet de proche en proche aux molécules du milieu (air, eau, métal) jusqu'à notre tympan.
Définition. Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel en transportant de l'énergie, mais pas de matière : les molécules d'air oscillent sur place, elles ne voyagent pas jusqu'à l'oreille. Le son est une onde mécanique longitudinale : l'air se comprime et se détend dans la direction de propagation.
Expérience de la cloche à vide. Un réveil sonne sous une cloche de verre. Quand on pompe l'air, le son s'affaiblit puis disparaît alors que le marteau vibre toujours : le son ne se propage pas dans le vide. Sur la Lune, sans atmosphère, aucun bruit ne s'entend.
| Élément | Rôle | Exemple |
|---|---|---|
| source | objet qui vibre | corde, membrane, cordes vocales |
| milieu | transmet la vibration | air, eau, bois, acier |
| récepteur | capte la vibration | tympan, microphone |
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Période et fréquence : lire un oscillogramme
Un microphone relié à un oscilloscope transforme le son en un signal électrique : l'oscillogramme. Pour un son musical, le signal est périodique : le même motif se répète.
Définitions. La période T est la durée d'un motif complet, en secondes (s). La fréquence f est le nombre de motifs (vibrations) par seconde, en hertz (Hz). Elles sont liées par f = 1 / T et T = 1 / f.
Méthode. Pour gagner en précision, on mesure la durée de plusieurs périodes puis on divise : 4 motifs en 10 ms → T = 10 / 4 = 2,5 ms. Puis on convertit en secondes avant de calculer f.
Exemple. Le la du diapason a une fréquence de 440 Hz : T = 1 / 440 ≈ 0,00227 s = 2,27 ms. Un moustique bat des ailes environ 600 fois par seconde : f = 600 Hz.
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Hauteur, intensité, timbre
| Qualité du son | Grandeur du signal | Ce qu'on entend |
|---|---|---|
| hauteur | fréquence f | f petite → son grave ; f grande → son aigu |
| intensité | amplitude du signal | grande amplitude → son fort ; niveau sonore en décibels (dB) |
| timbre | forme du motif | permet de reconnaître l'instrument ou la voix, à hauteur et intensité égales |
Domaines de fréquences. Infrasons : f < 20 Hz (éléphants, séismes). Sons audibles par l'humain : 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz). Ultrasons : f > 20 kHz (chauves-souris, échographie, sonar).
| Niveau sonore | Situation |
|---|---|
| 0 dB | seuil d'audition |
| 30 dB | chuchotement |
| 60 dB | conversation |
| 85 dB | seuil de danger (8 h par jour maximum) |
| 100 dB | concert, boîte de nuit (15 min maximum) |
| 120 dB | seuil de douleur |
Attention ! L'échelle des décibels n'est pas proportionnelle : +10 dB = puissance sonore × 10, et à partir de 85 dB chaque +3 dB divise par 2 la durée d'exposition sans risque. Les écouteurs à fond (100 dB) abîment l'oreille de façon irréversible.
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La célérité du son : d = v × t
Définition. La célérité v du son est la vitesse à laquelle la perturbation se propage. Elle dépend du milieu et de sa température, mais pas de la fréquence ni de l'intensité : un son grave et un son aigu voyagent à la même vitesse. Distance parcourue : d = v × t (m, m/s, s).
| Milieu | Célérité du son |
|---|---|
| air à 0 °C | 331 m/s |
| air à 20 °C | 340 m/s ≈ 1 224 km/h |
| eau | ≈ 1 480 m/s |
| acier | ≈ 5 900 m/s |
Exemple : l'orage. La lumière de l'éclair arrive quasi instantanément (300 000 km/s). Si le tonnerre est entendu 7 s après, la foudre est tombée à d = 340 × 7 = 2 380 m. Règle pratique : 3 s ≈ 1 km.
Astuce. Plus le milieu est dense et rigide, plus le son est rapide : c'est pour cela qu'on entend un train arriver en collant l'oreille au rail bien avant de l'entendre dans l'air.
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L'écho et le sonar
Quand une onde sonore rencontre un obstacle (falaise, mur, fond marin), elle est en partie réfléchie : c'est l'écho. Le retard entre l'émission et le retour permet de mesurer une distance.
Formule de l'écho. Le son fait un aller-retour : 2 × d = v × t, donc d = v × t / 2, avec t la durée entre l'émission et la réception de l'écho.
Exemple : le sonar. Un bateau émet un ultrason vers le fond et reçoit l'écho 0,64 s plus tard (eau : 1 500 m/s). Profondeur : d = 1 500 × 0,64 / 2 = 480 m. Oublier de diviser par 2 donnerait 960 m : faux.
| Application | Onde utilisée | Milieu |
|---|---|---|
| sonar (bateaux, sous-marins) | ultrasons 20 à 200 kHz | eau |
| échographie médicale | ultrasons 2 à 15 MHz | tissus (≈ 1 540 m/s) |
| chauve-souris, dauphin | ultrasons 20 à 120 kHz | air, eau |
| radar de recul | ultrasons ≈ 40 kHz | air |
Attention ! Les ultrasons sont préférés aux sons audibles car ils sont inaudibles (pas de gêne) et se réfléchissent bien sur de petits objets ; mais ils se propagent à la même célérité que les sons audibles dans un milieu donné.
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Pour aller plus loin : la longueur d'onde
Pendant une période T, l'onde avance de v × T : cette distance entre deux compressions successives est la longueur d'onde λ (lambda).
Formule. λ = v × T = v / f, avec λ en m, v en m/s, T en s, f en Hz.
Exemple. Un son de 425 Hz dans l'air : λ = 340 / 425 = 0,8 m. Le même son dans l'eau : λ = 1 480 / 425 ≈ 3,48 m. La fréquence est fixée par la source et ne change pas ; c'est la célérité, donc la longueur d'onde, qui dépend du milieu.
Ordres de grandeur. Dans l'air, les sons audibles ont des longueurs d'onde de 17 m (20 Hz) à 1,7 cm (20 kHz). En échographie, λ ≈ 0,5 mm à 3 MHz : c'est ce qui permet de distinguer de petits détails.
En bref
- Le son est une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel (pas de son dans le vide) et transporte de l'énergie sans matière.
- f = 1 / T : T en s, f en Hz. Audible : 20 Hz – 20 kHz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus.
- Hauteur ↔ fréquence ; intensité ↔ amplitude (dB, danger dès 85 dB) ; timbre ↔ forme du signal.
- Célérité : 340 m/s dans l'air, 1 480 m/s dans l'eau, 5 900 m/s dans l'acier ; indépendante de la fréquence. d = v × t.
- Écho : aller-retour, d = v × t / 2.
- λ = v / f : la fréquence ne change pas avec le milieu, la longueur d'onde si.
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