Ressources · 5ᵉ · Physique
Son : vibration, propagation et vitesse
Rappels de 6e (signal sonore, émetteur, canal, récepteur) ; un son naît d’une vibration qui se transmet de proche en proche ; le son a besoin d’un milieu matériel et ne traverse pas le vide ; vitesse du son dans l’air, l’eau et l’acier ; calculer une distance ou une durée (orage, écho, sondeur) ; fréquence, sons graves et aigus, infrasons et ultrasons ; niveau sonore en décibels et protection de l’audition.
À propos de cette page
Un son naît d’une vibration
Une corde de guitare que l’on pince, la peau d’un tambour que l’on frappe, ta gorge quand tu parles : derrière chaque son, quelque chose bouge très vite. Ce cas reprend ce que tu as vu en 6e sur le signal sonore et explique comment un son naît et voyage.
• Un son est produit par une source sonore qui vibre : elle fait de petits allers-retours très rapides autour de sa position.
• Cette vibration met en mouvement les particules du milieu qui touchent la source ; chacune pousse sa voisine : la vibration se transmet de proche en proche jusqu’au récepteur.
• Le son ne transporte pas de matière : les particules vibrent sur place, autour de leur position. Ce qui voyage, c’est la vibration.
• Si la source ne peut plus vibrer (on pose la main sur la corde), le son s’arrête.
Ce qui vibre dans quelques sources sonores
| Source sonore | Ce qui vibre |
|---|---|
| guitare, violon | les cordes |
| tambour | la peau tendue (une membrane) |
| haut-parleur, écouteur | la membrane |
| voix | les cordes vocales, dans la gorge |
| diapason | ses deux branches en métal |
| orgue | l’air contenu dans les tuyaux |
Comme une ola dans un stade. Quand la « ola » fait le tour d’un stade, chaque spectateur se lève puis se rassoit à sa place ; pourtant, la vague parcourt tout le stade. Le son fait de même : les particules d’air restent sur place, la vibration voyage.
Je prévois, je teste, j’observe, je conclus. Je prévois : « si le son vient d’une vibration, je dois sentir quelque chose bouger quand je parle ». Je teste en posant doucement les doigts sur ma gorge et en disant « aaaa ». J’observe : je sens un fourmillement, qui cesse quand je me tais. Je conclus : mes cordes vocales vibrent quand je parle ; c’est cette vibration qui produit le son.
Arrêter un son. On frappe une lame de xylophone : elle sonne. Si l’on serre la lame entre deux doigts, le son s’arrête aussitôt : la lame ne peut plus vibrer.
Retrouver la chaîne de 6e. Dans une fanfare, le tambour résonne. Émetteur : la peau du tambour, qui vibre ; canal : l’air ; récepteur : l’oreille du public. Aucune particule d’air ne fait le voyage du tambour jusqu’à l’oreille.
Réflexe — je cherche d’abord ce qui vibre (corde, peau, membrane, cordes vocales), puis je suis la vibration de proche en proche jusqu’au récepteur.
Attention — le son n’est pas de l’air qui se déplace : aucun courant d’air ne va de l’enceinte jusqu’à l’oreille. Et une source qui ne vibre plus ne produit plus de son.
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Le son a besoin d’un milieu matériel
On entend un ami qui nous appelle dans la cour, on entend sous l’eau à la piscine, on entend un voisin qui tape sur le mur. Dans l’espace, en revanche, règne un silence total. Pourquoi ?
• Il ne se propage pas dans le vide : sans particules, rien ne transmet la vibration. Entre les astres, c’est le vide : aucun son ne le traverse.
• La lumière, elle, traverse le vide : on peut voir sans entendre.
• La vitesse du son dépend du milieu : environ 340 m/s dans l’air, 1 500 m/s dans l’eau, 5 000 à 6 000 m/s dans l’acier. En général, le son va plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz.
L’expérience de la cloche à vide
On place un réveil qui sonne sous une cloche en verre reliée à une pompe. À mesure que la pompe retire l’air, le son entendu faiblit, jusqu’à devenir presque inaudible, alors qu’on voit toujours le marteau du réveil frapper. Il en passe encore un tout petit peu par le support du réveil, qui est solide. Quand on laisse rentrer l’air, le son revient. Conclusion : le son a besoin de matière pour se propager ; la lumière, non. Dès 1660, Robert Boyle et Robert Hooke avaient remarqué qu’avec leur pompe à air le son passait de moins en moins bien.
La vitesse du son selon le milieu
| Milieu | Vitesse du son (environ) |
|---|---|
| air à 15 °C (gaz) | 340 m/s |
| eau de mer (liquide) | 1 500 m/s |
| acier (solide) | 5 000 à 6 000 m/s |
| vide | pas de propagation |
Dans un liquide ou un solide, les particules sont serrées les unes contre les autres et se laissent très peu rapprocher : chacune transmet presque aussitôt la poussée à sa voisine, la vibration passe plus vite que dans un gaz. Dans l’air, la vitesse du son dépend aussi de la température : environ 331 m/s à 0 °C, 340 m/s à 15 °C, 343 m/s à 20 °C. Au collège, on retient 340 m/s.
Le son passe dans un solide. Ton voisin tape au mur : tu l’entends, même porte fermée. La vibration traverse le béton du mur, un solide, puis l’air de ta chambre.
Le son passe dans un liquide. À la piscine, la tête sous l’eau, on entend encore les bruits du bassin, un peu déformés : l’eau, un liquide, transmet le son.
Le son ne traverse pas le vide. À la surface du Soleil se produisent sans cesse d’énormes explosions. On en voit la lumière, mais on n’entend rien sur Terre : entre le Soleil et la Terre, c’est le vide.
Réflexe — pour savoir si un son passe, je cherche s’il y a de la matière (gaz, liquide ou solide) sur tout le trajet entre la source et l’oreille. Pour comparer des vitesses : en général, solide plus rapide que liquide, liquide plus rapide que gaz.
Attention — c’est la lumière qui traverse le vide, pas le son : voir quelque chose ne prouve pas qu’on pourrait l’entendre. Et 340 m/s ne vaut que pour l’air : dans l’eau, c’est environ 1 500 m/s.
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Calculer une distance ou une durée avec le son
Pendant un orage, on voit l’éclair, puis on entend le tonnerre quelques secondes plus tard. Ce retard permet de calculer à quelle distance la foudre est tombée.
• Unités : d en mètres (m), t en secondes (s), v en mètres par seconde (m/s).
• Orage : la lumière de l’éclair (environ 300 000 km/s) arrive presque instantanément ; on mesure la durée t entre l’éclair et le tonnerre, puis d = 340 × t. Règle rapide : environ 3 secondes par kilomètre.
• Écho : le son va jusqu’à un obstacle, s’y réfléchit et revient. Il parcourt deux fois la distance : d = v × t ÷ 2. Le sondeur d’un bateau mesure ainsi la profondeur (dans l’eau, v = 1 500 m/s).
Distance d’un orage. On compte 9 s entre l’éclair et le tonnerre : d = 340 × 9 = 3 060 m, environ 3 km (règle rapide : 9 ÷ 3 = 3 km).
Durée de trajet. Sur la pelouse d’un festival, Yanis est à 170 m de la scène : le son lui parvient au bout de t = 170 ÷ 340 = 0,5 s.
Écho. Face à une paroi rocheuse, une randonneuse crie ; l’écho revient 1,5 s plus tard. Trajet total : 340 × 1,5 = 510 m ; distance de la paroi : 510 ÷ 2 = 255 m.
Sondeur. Le signal d’un sondeur revient au bout de 0,08 s : 1 500 × 0,08 = 120 m d’aller-retour, donc une profondeur de 120 ÷ 2 = 60 m.
Réflexe — j’écris la formule, je vérifie les unités (m, s, m/s) et je me demande si le son fait un aller simple ou un aller-retour.
Attention — pour un écho, je divise par 2 : la durée mesurée correspond à l’aller ET au retour. Et je prends la vitesse du bon milieu : 340 m/s dans l’air, 1 500 m/s dans l’eau.
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Fréquence : sons graves, aigus, infrasons et ultrasons
La sirène d’un camion de pompiers alterne deux notes, l’une plus grave, l’autre plus aiguë. Ce qui les distingue, c’est la rapidité de la vibration.
• La fréquence fixe la hauteur du son : plus la fréquence est basse, plus le son est grave ; plus elle est élevée, plus le son est aigu.
• L’oreille humaine entend les sons de fréquence comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz) : c’est le domaine audible.
• En dessous de 20 Hz : les infrasons ; au-dessus de 20 000 Hz : les ultrasons. On ne les entend pas, mais ils existent et se propagent comme les autres sons.
Ce qu’on entend et ce qu’on n’entend pas
Le diapason des musiciens donne le la à 440 Hz : ses branches font 440 vibrations par seconde. Les éléphants se lancent des appels dont une partie est faite d’infrasons, qui portent à plusieurs kilomètres. Les chauves-souris émettent des ultrasons et écoutent leur écho pour repérer les insectes la nuit. Le sondeur d’un bateau émet lui aussi des ultrasons (par exemple à 50 kHz), comme l’appareil d’échographie du médecin.
Avec l’âge, l’oreille perd d’abord les sons les plus aigus : beaucoup d’adultes n’entendent plus jusqu’à 20 000 Hz.
Compter les vibrations. Une corde de guitare vibre à 110 Hz : elle fait 110 vibrations par seconde, donc 110 × 3 = 330 vibrations en 3 s.
Convertir. Un sifflet émet un son de 3,5 kHz, soit 3,5 × 1 000 = 3 500 Hz : entre 20 Hz et 20 000 Hz, il est audible.
Classer. 12 Hz : infrason (moins de 20 Hz) ; 800 Hz : son audible ; 45 000 Hz : ultrason (plus de 20 000 Hz).
Réflexe — je convertis d’abord en hertz (× 1 000 pour des kHz), puis je compare à 20 Hz et à 20 000 Hz ; pour dire grave ou aigu, je compare les fréquences entre elles.
Attention — la fréquence ne dit rien du « volume » : un son aigu peut être faible, un son grave très fort. Et un ultrason n’est pas un son très fort : c’est un son trop aigu pour l’oreille humaine.
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Niveau sonore : décibels et protection de l’audition
Une conversation, une rue encombrée, un concert : ces sons ne sont pas seulement plus ou moins aigus, ils sont plus ou moins forts. Trop forts, ils abîment l’oreille pour toujours.
• Le niveau sonore diminue quand on s’éloigne de la source.
• Repères : vers 85 dB, seuil de risque : une écoute longue ou répétée abîme l’oreille ; vers 120 dB, seuil de douleur.
• Le danger dépend de trois facteurs : le niveau, la durée et la répétition de l’exposition. Les cellules de l’oreille interne qui captent le son ne repoussent pas : une perte d’audition due au bruit est définitive.
• Niveau sonore (en dB : fort ou faible) et fréquence (en Hz : grave ou aigu) sont deux grandeurs différentes.
| Situation | Niveau sonore (environ) |
|---|---|
| conversation normale | 50 dB |
| rue à fort trafic | 80 dB |
| écoute au casque, volume élevé | 90 dB |
| avion au décollage, à 100 m | 130 dB |
Se protéger
| Geste | Ce qu’il change |
|---|---|
| porter des bouchons d’oreille ou un casque antibruit | le niveau qui arrive à l’oreille baisse |
| s’éloigner des enceintes | le niveau diminue avec la distance |
| faire des pauses au calme | la durée d’exposition baisse |
| baisser le volume du casque (pas plus de la moitié) | on agit à la source |
La loi protège aussi les oreilles : dans les salles de concert et les discothèques, le niveau ne doit pas dépasser 102 dB en moyenne sur 15 minutes, et des bouchons d’oreille doivent être proposés gratuitement. Les baladeurs vendus en France sont limités à 100 dB et avertissent l’utilisateur au-delà de 85 dB.
Lire l’échelle. Un sonomètre affiche 95 dB près d’une tondeuse à gazon : c’est au-dessus de 85 dB. Tondre une heure sans protection est risqué : on porte un casque antibruit.
Effet de la distance. Au bord d’une piste de karting, Maëlle mesure 96 dB ; en haut des gradins, plus loin, elle mesure 83 dB : en s’éloignant, le niveau a baissé de 96 − 83 = 13 dB.
Réflexe — je compare le niveau à 85 dB, puis je regarde la durée et la répétition ; je choisis un geste qui baisse le niveau reçu ou la durée d’exposition.
Attention — les décibels ne s’additionnent pas comme des nombres ordinaires : deux enceintes identiques ne donnent pas un niveau double. Et des sifflements dans les oreilles (des acouphènes) après un concert sont un signal d’alerte.
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Pour aller plus loin
Ces notions touchent au chapitre, mais elles sont traitées ailleurs ou se verront plus tard.
- La vitesse de la lumière. La lumière va à environ 300 000 km/s et traverse le vide : voir « Lumière : sources, propagation et vitesse ».
- Vitesse et conversions. La relation v = d ÷ t et le passage des m/s aux km/h sont expliqués dans « Mouvement : trajectoire, vitesse et relativité ».
- Période d’un son (3e). La durée d’une vibration s’appelle la période T ; elle est liée à la fréquence par f = 1 ÷ T. On l’étudiera en 3e avec le sonar et l’échographie : « Son : fréquence, infrasons et ultrasons ».
- Transmettre une information (4e). Signaux sonores, lumineux et électriques, délai de transmission et signaux numériques : « Signaux : transmettre une information ».
- Un son naît d’une source qui vibre ; la vibration se transmet de proche en proche, sans transport de matière, de l’émetteur au récepteur (rappel de 6e : c’est un signal sonore).
- Le son se propage dans les gaz, les liquides et les solides, jamais dans le vide : environ 340 m/s dans l’air, 1 500 m/s dans l’eau, 5 000 à 6 000 m/s dans l’acier.
- d = v × t, t = d ÷ v, v = d ÷ t (m, s, m/s) ; orage : d = 340 × t ; écho : le son fait l’aller-retour, d = v × t ÷ 2.
- Fréquence = nombre de vibrations par seconde, en hertz : basse = grave, élevée = aigu ; audible de 20 Hz à 20 000 Hz, infrasons en dessous, ultrasons au-dessus.
- Niveau sonore en décibels (sonomètre) : risque à partir de 85 dB selon la durée et la répétition, douleur vers 120 dB ; la perte d’audition est définitive, on se protège.
Questions fréquentes
Comment naît un son ?
Un son naît toujours d’une source qui vibre : corde de guitare, peau d’un tambour, membrane d’un haut-parleur, cordes vocales. La vibration se transmet de proche en proche aux particules du milieu (l’air, par exemple) jusqu’à l’oreille, sans transport de matière : les particules vibrent sur place.
Pourquoi le son ne se propage-t-il pas dans le vide ?
Parce que le son est une vibration qui passe d’une particule de matière à sa voisine. Dans le vide, il n’y a pas de particules : rien ne transmet la vibration. Le son se propage dans les gaz, les liquides et les solides, jamais dans le vide, comme le montre l’expérience de la cloche à vide.
Comment calculer la distance d’un orage ?
On mesure la durée t, en secondes, entre l’éclair et le tonnerre. La lumière arrive presque instantanément, le son va à environ 340 m/s : d = 340 × t. Par exemple, 10 s donnent 340 × 10 = 3 400 m, soit environ 3,4 km. Règle rapide : environ 3 secondes par kilomètre.
Quelle est la différence entre un son grave et un son aigu ?
Elle tient à la fréquence, le nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Un son de basse fréquence est grave, un son de fréquence élevée est aigu. L’oreille humaine entend environ de 20 Hz à 20 000 Hz : en dessous, ce sont des infrasons ; au-dessus, des ultrasons, que l’on n’entend pas.
À partir de combien de décibels le bruit est-il dangereux ?
Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) avec un sonomètre. À partir d’environ 85 dB, une exposition longue ou répétée abîme l’oreille interne, de façon définitive ; vers 120 dB, le son devient douloureux. Le risque dépend du niveau, de la durée et de la répétition : bouchons, pauses et distance aux enceintes protègent.
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