Son : fréquence, infrasons et ultrasons

Complète avec le mot qui convient.

1. Une onde mécanique est la propagation d’une dans un milieu matériel.
   C’est une perturbation qui se déplace de proche en proche, pas la matière.
2. Une onde mécanique transporte de l’, mais pas de matière.
   Elle transporte de l’énergie : une vague peut soulever un bateau sans emporter l’eau.
3. Dans une onde sonore, l’air est tour à tour comprimé et .
   Les zones comprimées alternent avec des zones dilatées, qui avancent ensemble.
4. Le son ne traverse pas le vide ; la lumière, une onde , le traverse.
   La lumière n’est pas une onde mécanique : c’est une onde électromagnétique, qui n’a pas besoin de matière.
5. La courbe affichée par l’oscilloscope s’appelle l’.
   C’est l’oscillogramme : la tension au cours du temps.

Écris le mot entre parenthèses qui convient.

1. Devant un haut-parleur qui joue une note, l’air (vibre sur place, avance jusqu’à l’auditeur).
   L’air est tour à tour comprimé et dilaté sur place : seule la perturbation avance jusqu’à l’auditeur.
2. Pendant un séisme, les murs d’une maison tremblent à 50 km de la rupture : ce qui est venu jusqu’à eux, c’est de l’ (énergie, roche).
   Les roches restent en place ; l’onde sismique a transporté de l’énergie.
3. Une rivière qui emporte une branche (est, n’est pas) une onde mécanique.
   L’eau et la branche se déplacent vraiment : de la matière voyage, ce n’est pas une onde.
4. Le son d’une cloche arrive à l’oreille grâce aux variations de (pression, température) de l’air.
   L’air est comprimé puis dilaté : ce sont des variations de pression.

Une perturbation qui voyage.

1. Un long ressort tendu mesure 6 m. Une compression lâchée à un bout atteint l’autre bout en 1,5 s : elle avance à m/s.
   v = d ÷ t = 6 ÷ 1,5 = 4 m/s.
2. Un ruban est collé au milieu du ressort : il commence à bouger s après le lâcher.
   Le milieu est à 3 m du bout : t = d ÷ v = 3 ÷ 4 = 0,75 s. La spire bouge au passage de la compression, puis revient à sa place.
3. Le bout du ressort est fixé à un mur : la compression s’y réfléchit et repart vers la main. Elle revient à son point de départ s après avoir été lâchée.
   Elle parcourt 6 m à l’aller et 6 m au retour, à 4 m/s : 12 ÷ 4 = 3 s. C’est le principe de l’écho.

Convertis ou complète.

1. 0,6 ms = s
   1 ms = 0,001 s : 0,6 × 0,001 = 0,000 6 s.
2. 1 µs = s
   Un millionième de seconde : 0,000 001 s.
3. 3,6 kHz = Hz
   1 kHz = 1 000 Hz : 3,6 × 1 000 = 3 600 Hz.
4. Un signal dont le même motif se répète à intervalles de temps égaux est dit .
   Il est périodique ; la durée d’un motif est sa période.

Calcule avec f = 1 ÷ T, T = 1 ÷ f ou f = N ÷ t.

1. T = 0,000 32 s : f = Hz
   1 ÷ 0,000 32 = 3 125 Hz.
2. T = 1,6 ms : f = Hz
   1,6 ms = 0,001 6 s ; 1 ÷ 0,001 6 = 625 Hz.
3. f = 320 Hz : T = ms
   1 ÷ 320 = 0,003 125 s = 3,125 ms.
4. f = 12,5 kHz : T = µs
   12,5 kHz = 12 500 Hz ; 1 ÷ 12 500 = 0,000 08 s = 80 µs.
5. Une lame de métal fait 1 800 vibrations en 1,5 s : f = Hz
   f = N ÷ t = 1 800 ÷ 1,5 = 1 200 Hz.

Un haut-parleur émet une note ; un microphone relié à un oscilloscope donne cet oscillogramme. Durée de balayage : 0,5 ms/div.

1. Nombre de motifs complets sur les 10 divisions :
   Chaque motif occupe 2,5 divisions : 4 motifs sur l’écran.
2. Durée de ces motifs : ms
   10 divisions × 0,5 ms = 5 ms.
3. Période : T = ms
   5 ms ÷ 4 motifs = 1,25 ms.
4. Fréquence : f = Hz
   1,25 ms = 0,001 25 s ; 1 ÷ 0,001 25 = 800 Hz.
5. En 2 s, la membrane du haut-parleur effectue vibrations.
   800 vibrations par seconde × 2 s = 1 600 vibrations.

Complète avec le mot qui convient.

1. Sur l’oscillogramme, la hauteur des crêtes s’appelle l’ du signal.
   C’est l’amplitude, liée à l’intensité du son.
2. Plus l’amplitude du signal est grande, plus le son est .
   Amplitude ↔ intensité : le son est plus fort.
3. À même durée de balayage, des motifs plus serrés indiquent un son plus .
   Motifs serrés = période courte = fréquence élevée : son plus aigu.
4. Une note grave a une période plus qu’une note aiguë.
   Fréquence basse = période longue : motifs espacés.
5. Si l’on joue plus doucement la même note, l’amplitude du signal .
   Le son est plus faible : l’amplitude diminue ; la période ne change pas.

Trois sons sont enregistrés avec les mêmes réglages de l’oscilloscope.

1. Le son le plus aigu est le son .
   Q a la période la plus courte, donc la fréquence la plus élevée : Q.
2. Le son le plus fort est le son .
   R a les crêtes les plus hautes : R.
3. Le son qui a la même hauteur que P est le son .
   Même période (6 ms), donc même fréquence : R, joué plus fort.
4. La fréquence de Q est fois plus grande que celle de P.
   6 ÷ 1,5 = 4 : la période de Q est 4 fois plus courte, sa fréquence 4 fois plus grande.
5. Q est octaves au-dessus de P.
   Une octave double la fréquence : × 2 × 2 = × 4, soit 2 octaves.

Une violoniste joue un sol à 784 Hz, puis le sol de l’octave en dessous.

1. Le sol de l’octave en dessous a une fréquence de Hz.
   Une octave plus bas : fréquence divisée par 2, 784 ÷ 2 = 392 Hz.
2. Période de ce sol plus grave, arrondie au centième : ms
   1 ÷ 392 ≈ 0,002 55 s, soit environ 2,55 ms.
3. Avec la même durée de balayage, les motifs du sol aigu sont fois plus serrés que ceux du sol grave.
   Fréquence double, période moitié : motifs 2 fois plus serrés.
4. Elle rejoue la note à 784 Hz plus fort : la période du signal vaut alors, arrondie au centième, ms.
   L’intensité ne change pas la hauteur : T = 1 ÷ 784 ≈ 0,001 28 s, soit 1,28 ms ; seule l’amplitude a augmenté.

Écris infrason, audible ou ultrason.

1. Période de 0,1 s :
   0,1 s = 100 ms, plus de 50 ms : f = 10 Hz, un infrason.
2. Période de 2 ms :
   Entre 50 µs et 50 ms : f = 500 Hz, son audible.
3. Période de 10 µs :
   Moins de 50 µs : f = 100 000 Hz, un ultrason.
4. Fréquence de 3 MHz :
   3 MHz = 3 000 000 Hz, bien plus que 20 000 Hz : ultrason.

Calcule la fréquence, puis classe le son : infrason, audible ou ultrason.

1. T = 40 µs : f = Hz
   40 µs = 0,000 04 s ; 1 ÷ 0,000 04 = 25 000 Hz.
2. Ce son de période 40 µs est un .
   25 000 Hz > 20 000 Hz : ultrason.
3. T = 62,5 ms : f = Hz
   62,5 ms = 0,062 5 s ; 1 ÷ 0,062 5 = 16 Hz.
4. Ce son de période 62,5 ms est un .
   16 Hz < 20 Hz : infrason.
5. T = 20 ms : f = Hz
   20 ms = 0,02 s ; 1 ÷ 0,02 = 50 Hz : un son audible, très grave.

Des sons que d’autres entendent.

1. Un répulsif à ultrasons contre les souris émet à 55 kHz : sa période, arrondie à l’unité, vaut µs.
   1 ÷ 55 000 ≈ 0,000 018 s, soit environ 18 µs, moins de 50 µs.
2. Un chien entend jusqu’à environ 45 kHz : ce répulsif, il (l’entend, ne l’entend pas).
   55 kHz > 45 kHz : même le chien ne l’entend pas.
3. La cuve d’un nettoyeur à ultrasons vibre à 40 kHz : en 1 ms, elle effectue vibrations.
   40 000 vibrations par seconde × 0,001 s = 40 vibrations.
4. Une sonde d’échographie émet à 5 MHz : sa période vaut µs.
   5 MHz = 5 000 000 Hz ; 1 ÷ 5 000 000 = 0,000 000 2 s = 0,2 µs.

Complète avec le mot ou le nombre qui convient.

1. Le signal renvoyé par l’obstacle et capté par le récepteur s’appelle l’.
   C’est l’écho : une partie de la salve, réfléchie par l’obstacle.
2. Dans les tissus du corps, la célérité des ultrasons est d’environ m/s.
   Environ 1 540 m/s, un peu plus que dans l’eau de mer.
3. Avec Δt la durée de l’aller-retour, la distance de l’obstacle vaut d = v × Δt ÷ .
   Δt couvre l’aller ET le retour : on divise par 2.
4. Une sonde d’échographie émet et reçoit les ultrasons : elle est à la fois émetteur et .
   Elle capte aussi les échos : elle est récepteur.

Calcule la distance de l’obstacle. Air : 340 m/s ; eau de mer : 1 500 m/s ; tissus : 1 540 m/s.

1. Une chauve-souris reçoit l’écho d’un papillon 6 ms après son cri. d = m
   6 ms = 0,006 s ; 340 × 0,006 = 2,04 m d’aller-retour ; 2,04 ÷ 2 = 1,02 m.
2. Sonar d’un chalutier : l’écho d’un banc de poissons revient 0,16 s après l’émission. d = m
   1 500 × 0,16 = 240 m d’aller-retour ; 240 ÷ 2 = 120 m.
3. Échographie : l’écho d’une paroi revient 91 µs après l’émission. d = cm (arrondie à l’unité)
   91 µs = 0,000 091 s ; 1 540 × 0,000091 = 0,14014 m d’aller-retour ; divisé par 2 : environ 0,070 m, soit 7 cm.
4. Un dauphin reçoit l’écho d’un poisson 20 ms après son clic. d = m
   20 ms = 0,02 s ; 1 500 × 0,02 = 30 m ; 30 ÷ 2 = 15 m.

Un capteur à ultrasons fixé sous le couvercle d’une citerne d’eau de pluie mesure la distance jusqu’à la surface de l’eau, à travers l’air (340 m/s). Il est relié à un oscilloscope à deux voies. Durée de balayage : 0,5 ms/div.

1. Décalage entre le début de la salve et le début de l’écho : divisions
   La salve commence à 1 division, l’écho à 8 : 7 divisions.
2. Δt = ms
   7 × 0,5 = 3,5 ms.
3. Distance entre le capteur et la surface de l’eau : m
   3,5 ms = 0,003 5 s ; 340 × 0,003 5 = 1,19 m ; 1,19 ÷ 2 = 0,595 m.
4. Après une averse, l’écho n’est plus décalé que de 5 divisions. Nouvelle distance : m
   Δt = 5 × 0,5 = 2,5 ms = 0,0025 s ; 340 × 0,0025 = 0,85 m ; 0,85 ÷ 2 = 0,425 m.
5. Le niveau de l’eau est donc monté de cm.
   La surface s’est rapprochée du capteur : 0,595 − 0,425 = 0,17 m = 17 cm.