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Ondes : intensité sonore, atténuation et effet Doppler
Intensité sonore et niveau d’intensité sonore L = 10 log(I/I₀) ; addition des intensités de plusieurs sources ; atténuation en décibels, atténuation géométrique d’une source ponctuelle et atténuation par absorption ; effet Doppler, établissement et exploitation du décalage Doppler pour mesurer une vitesse, en acoustique et pour la lumière.
À propos de cette page
Les 36 questions du QCM en version texte
Pour réviser sans écran ou imprimer : chaque question avec ses propositions ; la bonne réponse et son explication se déplient.
Niveau facile ★ — 12 questions
L’intensité sonore s’exprime en :
- A. dB·m⁻²
- B. W·m⁻²
- C. W·m⁻¹
- D. J·m⁻²
Réponse
B. W·m⁻² — L’intensité sonore est une puissance reçue par unité de surface : I = P/S, en W·m⁻². Le décibel est l’unité du niveau d’intensité sonore.
Le niveau d’intensité sonore est défini par :
- A. L = 10 × I/I₀
- B. L = log(I × I₀)
- C. L = 10 ln(I/I₀)
- D. L = 10 log(I/I₀)
Réponse
D. L = 10 log(I/I₀) — Par définition, L = 10 log(I/I₀), avec le logarithme décimal et l’intensité de référence I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻².
L’intensité sonore de référence I₀ vaut :
- A. 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²
- B. 1,0 × 10¹² W·m⁻²
- C. 1,0 × 10⁻¹² dB
- D. 1,0 W·m⁻²
Réponse
A. 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻² — I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻², voisine du seuil d’audibilité à 1 000 Hz : c’est une intensité, pas un niveau.
Si l’intensité sonore est multipliée par 10, le niveau d’intensité sonore :
- A. est multiplié par 10
- B. augmente de 1 dB
- C. augmente de 10 dB
- D. augmente de 3 dB
Réponse
C. augmente de 10 dB — 10 log(10 I/I₀) = 10 log(I/I₀) + 10 log 10 = L + 10 dB. Une multiplication de l’intensité devient une addition sur les niveaux.
Deux machines identiques produisent chacune 66 dB au même point. Ensemble, elles y produisent :
- A. 132 dB
- B. 66 dB
- C. 69 dB
- D. 76 dB
Réponse
C. 69 dB — Les intensités s’additionnent : l’intensité double et le niveau augmente de 10 log 2 ≈ 3 dB, soit 69 dB.
Pour une source ponctuelle isotrope, sans absorption, l’intensité sonore à la distance d est proportionnelle à :
- A. 1/d²
- B. 1/d
- C. d²
- D. 1/d³
Réponse
A. 1/d² — La puissance P se répartit sur une sphère de surface 4πd² : I = P/(4πd²), proportionnelle à 1/d².
L’atténuation géométrique d’un son s’explique par :
- A. la conversion d’énergie sonore en énergie thermique dans l’air
- B. la diminution de la fréquence avec la distance
- C. le ralentissement du son loin de la source
- D. l’étalement de la même puissance sur une surface plus grande
Réponse
D. l’étalement de la même puissance sur une surface plus grande — Plus loin, la même puissance traverse une sphère plus grande : l’intensité baisse sans perte d’énergie. La conversion en énergie thermique, c’est l’absorption.
À distance fixe d’un haut-parleur, on place une plaque de liège entre lui et le sonomètre : le niveau baisse. C’est une atténuation :
- A. géométrique
- B. par absorption
- C. par effet Doppler
- D. par interférences
Réponse
B. par absorption — La distance ne change pas : la baisse vient de l’énergie absorbée par le matériau traversé.
L’effet Doppler est :
- A. la modification de la fréquence reçue due au mouvement relatif de l’émetteur et du récepteur
- B. la baisse du niveau sonore quand le récepteur s’éloigne de l’émetteur
- C. la modification de la célérité d’une onde qui change de milieu
- D. l’étalement d’une onde qui traverse une ouverture étroite
Réponse
A. la modification de la fréquence reçue due au mouvement relatif de l’émetteur et du récepteur — L’effet Doppler concerne la fréquence reçue, quand émetteur et récepteur se déplacent l’un par rapport à l’autre ; la fréquence émise ne change pas.
Une ambulance s’éloigne d’un piéton immobile, sirène allumée. Le piéton entend un son :
- A. plus aigu que le son émis
- B. de même hauteur que le son émis
- C. plus grave que le son émis
- D. qui va plus vite que le son émis
Réponse
C. plus grave que le son émis — L’émetteur s’éloigne : les crêtes arrivent plus espacées, la fréquence reçue est plus petite, le son paraît plus grave. La célérité, elle, ne dépend pas du mouvement de la source.
Devant un émetteur sonore qui avance vers un micro fixe, la longueur d’onde reçue par le micro est :
- A. plus longue que la longueur d’onde émise
- B. plus courte que la longueur d’onde émise
- C. égale à la longueur d’onde émise
- D. nulle, les crêtes se superposent
Réponse
B. plus courte que la longueur d’onde émise — L’émetteur avance pendant chaque période : deux crêtes successives sont séparées de (v − v_E)T_E, moins que vT_E.
Les raies du spectre d’une étoile sont décalées vers les grandes longueurs d’onde. L’étoile :
- A. se rapproche de la Terre
- B. est immobile par rapport à la Terre
- C. est plus chaude que le Soleil
- D. s’éloigne de la Terre
Réponse
D. s’éloigne de la Terre — Un décalage vers le rouge (Δλ > 0) traduit un éloignement de la source ; un décalage vers le bleu, un rapprochement.
Niveau moyen ★★ — 12 questions
Une intensité sonore de 5,0 × 10⁻⁶ W·m⁻² correspond à un niveau de :
- A. 56,0 dB
- B. 6,7 dB
- C. 67,0 dB
- D. 76,0 dB
Réponse
C. 67,0 dB — L = 10 log(5,0 × 10⁻⁶ / 1,0 × 10⁻¹²) = 10 log(5,0 × 10⁶) ≈ 67,0 dB.
Un niveau de 47 dB correspond à une intensité sonore de :
- A. 5,0 × 10⁻⁸ W·m⁻²
- B. 4,7 × 10⁻⁸ W·m⁻²
- C. 5,0 × 10⁻⁶ W·m⁻²
- D. 4,7 × 10⁻⁶ W·m⁻²
Réponse
A. 5,0 × 10⁻⁸ W·m⁻² — I = I₀ × 10^(L/10) = 1,0 × 10⁻¹² × 10^4,7 ≈ 1,0 × 10⁻¹² × 5,0 × 10⁴ = 5,0 × 10⁻⁸ W·m⁻². Le niveau ne se recopie pas dans la mantisse.
Trois sources identiques produisant chacune 64 dB en un point y produisent ensemble :
- A. 67,0 dB
- B. 74,0 dB
- C. 192 dB
- D. 68,8 dB
Réponse
D. 68,8 dB — L’intensité est triplée : L = 64 + 10 log 3 ≈ 64 + 4,8 = 68,8 dB. Les niveaux ne s’additionnent jamais.
Pour une source ponctuelle isotrope, tripler la distance d’écoute fait varier le niveau de :
- A. − 4,8 dB
- B. − 9,5 dB
- C. − 6,0 dB
- D. − 30 dB
Réponse
B. − 9,5 dB — L’intensité est divisée par 3² = 9 : le niveau baisse de 10 log 9 = 20 log 3 ≈ 9,5 dB.
Multiplier l’intensité sonore reçue par 100 revient à augmenter le niveau de :
- A. 10 dB
- B. 100 dB
- C. 2 dB
- D. 20 dB
Réponse
D. 20 dB — ΔL = 10 log 100 = 10 × 2 = 20 dB.
Une cloison apporte une atténuation de 13 dB. L’intensité sonore est divisée par environ :
- A. 13
- B. 20
- C. 1,3
- D. 130
Réponse
B. 20 — Facteur = 10^(A/10) = 10^1,3 ≈ 20.
Une source ponctuelle isotrope de puissance sonore 1,0 W est écoutée à 10 m, sans absorption. Le niveau y vaut :
- A. 89,0 dB
- B. 99,0 dB
- C. 100,0 dB
- D. 79,0 dB
Réponse
A. 89,0 dB — I = 1,0/(4π × 10²) ≈ 7,96 × 10⁻⁴ W·m⁻², d’où L ≈ 89,0 dB. Oublier le carré de la distance ou le facteur 4π donne une valeur trop forte.
Un niveau de 92 dB traverse un mur qui apporte une atténuation de 35 dB. Derrière le mur, le niveau vaut :
- A. 2,6 dB
- B. 127 dB
- C. 57 dB
- D. 88,5 dB
Réponse
C. 57 dB — Une atténuation se retire du niveau : 92 − 35 = 57 dB. C’est l’intensité qui est divisée, par 10^3,5.
Un émetteur de 600 Hz se rapproche à 34 m·s⁻¹ d’un récepteur fixe (célérité 340 m·s⁻¹). La fréquence reçue vaut environ :
- A. 660 Hz
- B. 667 Hz
- C. 545 Hz
- D. 540 Hz
Réponse
B. 667 Hz — f_R = f_E × v/(v − v_E) = 600 × 340/306 ≈ 667 Hz. La formule approchée donnerait 660 Hz ; 545 Hz correspond à un éloignement.
Un émetteur de 850 Hz s’éloigne à 17 m·s⁻¹ d’un récepteur fixe (célérité 340 m·s⁻¹). La longueur d’onde reçue vaut :
- A. 0,400 m
- B. 0,380 m
- C. 0,357 m
- D. 0,420 m
Réponse
D. 0,420 m — λ_R = (v + v_E) T_E = 357/850 = 0,420 m. La longueur d’onde émise vaut 340/850 = 0,400 m ; 0,380 m correspondrait à un rapprochement.
Un émetteur de 2 000 Hz se rapproche d’un micro fixe, qui reçoit 2 040 Hz (célérité 340 m·s⁻¹). La vitesse de l’émetteur vaut :
- A. 6,80 m·s⁻¹
- B. 13,6 m·s⁻¹
- C. 6,67 m·s⁻¹
- D. 40,0 m·s⁻¹
Réponse
C. 6,67 m·s⁻¹ — v_E = v (f_R − f_E)/f_R = 340 × 40/2 040 ≈ 6,67 m·s⁻¹. Diviser par f_E au lieu de f_R donne 6,80 m·s⁻¹.
Les raies d’une galaxie présentent un décalage relatif Δλ/λ = 1,0 × 10⁻⁴. Sa vitesse radiale vaut environ :
- A. 30 km·s⁻¹
- B. 3,0 km·s⁻¹
- C. 300 km·s⁻¹
- D. 3,0 × 10⁴ km·s⁻¹
Réponse
A. 30 km·s⁻¹ — v ≈ c × Δλ/λ = 3,00 × 10⁵ km·s⁻¹ × 1,0 × 10⁻⁴ = 30 km·s⁻¹.
Niveau difficile ★★★ — 12 questions
En un point d’un atelier, le niveau total vaut 84 dB. Machine B arrêtée, la machine A seule donne 82 dB. La machine B seule donnerait environ :
- A. 79,7 dB
- B. 2 dB
- C. 82 dB
- D. 86 dB
Réponse
A. 79,7 dB — On retranche les intensités : I_B = I(84 dB) − I(82 dB) ≈ 9,27 × 10⁻⁵ W·m⁻², soit 79,7 dB. Les décibels ne se soustraient pas plus qu’ils ne s’additionnent.
Pour qu’un auditeur ait l’impression d’un son « deux fois plus fort », il faut environ :
- A. doubler l’intensité sonore reçue
- B. doubler le niveau en décibels
- C. multiplier l’intensité par 10
- D. doubler la fréquence du son
Réponse
C. multiplier l’intensité par 10 — La sensation suit à peu près le niveau : il faut environ + 10 dB, soit une intensité multipliée par 10. Doubler l’intensité n’ajoute que 3 dB.
Deux sources produisent l’une 75 dB, l’autre 62 dB au même point. Ensemble, environ :
- A. 137 dB
- B. 75,2 dB
- C. 78,0 dB
- D. 68,5 dB
Réponse
B. 75,2 dB — Intensités : 3,16 × 10⁻⁵ + 1,58 × 10⁻⁶ ≈ 3,32 × 10⁻⁵ W·m⁻², soit 75,2 dB : la source la plus forte impose presque le niveau.
On multiplie par 10 la distance à une source isotrope et par 100 sa puissance sonore. Le niveau reçu :
- A. baisse de 20 dB
- B. augmente de 20 dB
- C. baisse de 10 dB
- D. ne change pas
Réponse
D. ne change pas — La distance × 10 retire 20 log 10 = 20 dB ; la puissance × 100 ajoute 10 log 100 = 20 dB : les deux effets se compensent.
Pour une même vitesse de l’émetteur, la valeur absolue du décalage Doppler est :
- A. plus petite en rapprochement qu’en éloignement
- B. plus grande en rapprochement qu’en éloignement
- C. la même en rapprochement et en éloignement
- D. nulle si l’émetteur va moins vite que le son
Réponse
B. plus grande en rapprochement qu’en éloignement — En rapprochement |Δf| = f_E v_E/(v − v_E), en éloignement f_E v_E/(v + v_E) : le dénominateur est plus petit en rapprochement.
Un émetteur sonore se rapproche d’un récepteur à une vitesse qui s’approche de plus en plus de la célérité du son. La fréquence reçue :
- A. tend vers la fréquence émise
- B. tend vers zéro
- C. tend vers le double de la fréquence émise
- D. devient de plus en plus grande
Réponse
D. devient de plus en plus grande — f_R = f_E v/(v − v_E) : le dénominateur tend vers zéro, la fréquence reçue croît sans limite. Les crêtes s’entassent devant l’émetteur.
Une étoile s’éloigne à 45 km·s⁻¹. Une raie émise à 486,10 nm est observée vers :
- A. 486,03 nm
- B. 486,10 nm
- C. 486,17 nm
- D. 486,55 nm
Réponse
C. 486,17 nm — Δλ ≈ λ × v/c = 486,10 × 45/(3,00 × 10⁵) ≈ 0,073 nm, positif car l’étoile s’éloigne : environ 486,17 nm.
De très loin, on entend surtout les basses d’un concert en plein air, parce que :
- A. l’air absorbe davantage les aigus que les graves
- B. les basses se propagent plus vite dans l’air
- C. l’atténuation géométrique dépend de la fréquence
- D. l’effet Doppler abaisse les fréquences avec la distance
Réponse
A. l’air absorbe davantage les aigus que les graves — Le coefficient d’absorption de l’air croît fortement avec la fréquence. La célérité et l’atténuation géométrique ne dépendent pas de la fréquence, et une scène immobile ne donne pas d’effet Doppler.
Un son de 1 000 Hz a un niveau de 70 dB à 100 m d’une source isotrope ; l’air l’absorbe de 5,0 dB/km. À 200 m, le niveau vaut environ :
- A. 64,0 dB
- B. 35,0 dB
- C. 59,5 dB
- D. 63,5 dB
Réponse
D. 63,5 dB — Atténuation géométrique 20 log 2 ≈ 6,0 dB, plus 5,0 × 0,10 = 0,5 dB d’absorption sur les 100 m supplémentaires : 70 − 6,0 − 0,5 ≈ 63,5 dB.
Quand la vitesse de l’émetteur est très petite devant la célérité de l’onde, le décalage Doppler vérifie :
- A. |Δf| ≈ f_E × v_E / v
- B. |Δf| ≈ f_E × v / v_E
- C. |Δf| ≈ v_E / (f_E × v)
- D. |Δf| ≈ f_E × (v − v_E) / v
Réponse
A. |Δf| ≈ f_E × v_E / v — f_E v_E/(v ∓ v_E) devient f_E v_E/v quand v_E est négligeable devant v : c’est l’expression utilisée pour la lumière, avec v = c.
L’expression du décalage mesuré par un radar routier contient un facteur 2 parce que :
- A. le radar émet deux ondes de même fréquence
- B. l’onde est décalée à l’aller vers le véhicule puis au retour
- C. la voiture a deux phares qui réfléchissent l’onde
- D. la vitesse est mesurée à la fois en m·s⁻¹ et en km·h⁻¹
Réponse
B. l’onde est décalée à l’aller vers le véhicule puis au retour — Le véhicule reçoit une onde décalée (récepteur mobile), puis la renvoie comme un émetteur mobile : deux décalages successifs, d’où environ 2 f v/c.
Le niveau d’intensité sonore passe de 40 dB à 80 dB. L’intensité sonore est multipliée par :
- A. 2
- B. 40
- C. 10 000
- D. 100 000
Réponse
C. 10 000 — + 40 dB correspond à 10^(40/10) = 10⁴ : le niveau double, mais l’intensité est multipliée par dix mille.
Moi c'est Ben, j'ai créé ce site pour aider le plus d'élèves possible, partout en France. Je peux aussi reprendre avec toi ce qui coince en cours particulier : en visio, ou à domicile si tu es à Marseille.
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