Collège · 5ᵉ · Physique
Propagation des ondes sonores
Nature et propagation du son, hauteur, intensité, vitesse
À propos de cette page
Ce cours de physique en cinquième sur « Propagation des ondes sonores » suit le programme officiel de physique de cinquième. Il présente les définitions, les propriétés et les méthodes essentielles, accompagnées d'exemples résolus pour bien comprendre. Au programme : Comment naît un son : une source qui vibre, Le son a besoin d'un milieu matériel, La vitesse du son selon le milieu, Calculer une distance à partir 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 cinquième à réussir en physique.
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Comment naît un son : une source qui vibre
Définition. Un son est produit par une source sonore qui vibre. Cette vibration met en mouvement les particules du milieu environnant, de proche en proche, jusqu'au récepteur (oreille, micro).
Exemple. Si l'on pose la main sur l'enceinte d'une chaîne, on sent la membrane vibrer. Une corde de guitare pincée, un diapason frappé, nos cordes vocales : ce sont toutes des sources qui vibrent.
Attention ! Le son ne transporte pas de matière : les particules de l'air vibrent autour de leur position, elles ne voyagent pas de la source jusqu'à l'oreille. Ce qui se propage, c'est la vibration.
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Le son a besoin d'un milieu matériel
Règle. Un son se propage dans tout milieu matériel — gaz, liquide ou solide — mais jamais dans le vide, faute de particules pour transmettre la vibration.
Expérience de référence. Un réveil qui sonne est placé sous une cloche à vide. À mesure que l'on pompe l'air, le son faiblit puis disparaît totalement, alors que l'on voit toujours le marteau frapper. Si l'on laisse rentrer l'air, le son revient.
Attention ! C'est pourquoi, dans l'espace, aucune explosion ne peut être entendue : contrairement à la lumière, le son ne traverse pas le vide.
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La vitesse du son selon le milieu
| Milieu | Vitesse approximative du son |
|---|---|
| air (à environ $20$ °C) | $340$ m/s |
| eau | $1\,500$ m/s |
| acier | environ $5\,000$ m/s |
| vide | aucune propagation |
Astuce. Plus les particules du milieu sont serrées, plus la vibration se transmet vite : le son va donc plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz.
Attention ! La lumière se propage à environ $300\,000$ km/s, soit près d'un million de fois plus vite que le son dans l'air. C'est pour cette raison que l'on voit l'éclair bien avant d'entendre le tonnerre.
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Calculer une distance à partir du son
Relation. $$d = v \times t$$ avec $d$ la distance parcourue en mètres, $v$ la vitesse en m/s et $t$ la durée en secondes. On en déduit $t = \dfrac{d}{v}$ et $v = \dfrac{d}{t}$.
Exemple — l'orage. On compte $6$ s entre l'éclair et le tonnerre. La distance vaut $d = 340 \times 6 = 2\,040$ m, soit environ $2$ km. On néglige la durée du trajet de la lumière, mille fois plus courte.
Cas de l'écho. Lors d'un écho, le son fait l'aller-retour : il parcourt deux fois la distance jusqu'à l'obstacle. La distance de l'obstacle vaut donc $$d = \dfrac{v \times t}{2}$$
Exemple. Un écho revient au bout de $0{,}85$ s : $d = \dfrac{340 \times 0{,}85}{2} = 144{,}5$ m. Oublier de diviser par deux double le résultat.
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La hauteur d'un son : la fréquence
Définition. La fréquence $f$ est le nombre de vibrations par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz). Elle est liée à la période $T$, durée d'une vibration, par $$f = \dfrac{1}{T}$$ avec $T$ en secondes et $f$ en hertz.
| Fréquence | Son perçu |
|---|---|
| faible (par exemple $100$ Hz) | son grave |
| élevée (par exemple $4\,000$ Hz) | son aigu |
Domaine audible. L'oreille humaine perçoit les sons compris entre environ $20$ Hz et $20\,000$ Hz. En dessous, on parle d'infrasons ; au-dessus, d'ultrasons. Ni les uns ni les autres ne sont perçus par l'être humain, même s'ils existent bel et bien.
Exemple. Le la du diapason a une fréquence de $440$ Hz : sa période vaut $T = \dfrac{1}{440} \approx 0{,}00227$ s, soit environ $2{,}3$ ms.
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Le niveau sonore et le décibel
Définition. Le niveau sonore mesure la « force » d'un son. Il s'exprime en décibels (dB) et se mesure avec un sonomètre.
| Situation | Niveau sonore approximatif |
|---|---|
| seuil d'audibilité | $0$ dB |
| chuchotement | $30$ dB |
| conversation normale | $60$ dB |
| rue passante | $80$ dB |
| concert amplifié | $100$ à $110$ dB |
| seuil de douleur | environ $120$ dB |
Attention ! Ne confonds pas hauteur et niveau sonore. La hauteur (grave ou aigu) dépend de la fréquence, en hertz ; le niveau sonore (fort ou faible) se mesure en décibels. Un son aigu peut être très faible, un son grave très fort.
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Protéger son audition
Règle de sécurité. L'exposition prolongée au-delà de $85$ dB abîme progressivement les cellules de l'oreille interne. Ces cellules ne se régénèrent pas : les dommages sont définitifs.
| Protection | Principe |
|---|---|
| bouchons ou casque antibruit | réduire le niveau sonore reçu |
| s'éloigner des enceintes | le niveau sonore diminue avec la distance |
| faire des pauses en concert | réduire la durée d'exposition |
| baisser le volume du baladeur | agir à la source |
Astuce. Les trois facteurs de risque sont le niveau, la durée et la répétition de l'exposition. Un son fort mais bref peut être moins dangereux qu'un son moyen subi chaque jour pendant des heures.
En bref
- Un son est produit par une source qui vibre ; il se propage de proche en proche sans transport de matière.
- Il lui faut un milieu matériel : le son ne se propage pas dans le vide, contrairement à la lumière.
- Vitesses : environ $340$ m/s dans l'air, $1\,500$ m/s dans l'eau, $5\,000$ m/s dans l'acier.
- $d = v \times t$ ; pour un écho, $d = \dfrac{v \times t}{2}$ car le son fait l'aller-retour.
- La fréquence $f$, en hertz (Hz), donne la hauteur : faible ⇒ grave, élevée ⇒ aigu. $f = \dfrac{1}{T}$.
- Domaine audible : de $20$ Hz à $20\,000$ Hz ; en dehors, infrasons et ultrasons.
- Le niveau sonore, en décibels (dB), se mesure au sonomètre ; au-delà de $85$ dB prolongés, les dégâts sur l'oreille sont irréversibles.
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