T4C01 - Émission et propagation du son

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Quiz

  1. La relation entre vitesse (v) distance (d) et durée (Δt) est
  1. La vitesse de propagation du son dans l’air est
  1. Le son a besoin d’un milieu matériel pour pouvoir se propager
  1. La période correspond à la durée d’un motif élémentaire
  1. La relation entre la fréquence et la période est

Vitesse de propagation du son

Sous l’eau, il est plus difficile de repérer la position d’un bateau un moteur que sur Terre.

Pourquoi les plongeurs ne peuvent pas localiser un bateau ?

Mesure de la vitesse du son dans l’air

Les premières mesures de la vitesse du son dans I’air eurent lieu tout au long du XVIIe siècle. En 1822, Académie des sciences confia à Francois Arago et Gaspard de Prony la mission de réaliser de nouvelles mesures.

On tirait simultanément deux coups de canon, I’un de Montlhéry et I’autre de Villejuif, distants de 18,6 km. Les expérimentateurs, situés les uns a Montlhéry et les autres a Villejuif, mesuraient le temps qui s’écoulait entre l’instant ou ils voyaient les flammes et l’instant ou ils entendaient le coup de canon.

Le temps moyen mesuré était de 54,6 secondes.

Mesure de la vitesse du son dans l’eau

Les essais principaux furent réalisés entre Rolle et Thonon, distants de distants de 13,487 kilomètres.

Deux bateaux furent utilisés pour ces mesures. Dans le bateau-émetteur, un marteau, frappait chaque fois d’un seul coup une cloche suspendue sous l’eau. Au moment où le marteau touchait la cloche, un allumeur basculait sur un récipient de poudre et provoquait ainsi un éclair.

En observant cet éclair, on mesurait avec un chronomètre le temps s’écoulant jusqu’à l’arrivée du signal émis par la cloche.

Les résultats enregistrés au moyen de ce dispositif et ses calculs mènent à la conclusion suivante: « La moyenne de plusieurs expériences donna 9,1 secondes, pour le temps de propagation sous l’eau »

Localisation sonore

La localisation sonore désigne la capacité du système auditif à déterminer la position spatiale d’une source sonore au moyen de différents indices physiques.

Cette localisation est principalement due à la différence de temps interaurale.

D’après wikipédia - Localisation sonore

Questions

  2. À l’aide des informations du document, exprimer puis calculer
  5. À partir des réponses aux questions précédentes et du document, expliquer pourquoi il est plus difficile de repérer la position d’un bateau sous l’eau.
  6. Convertir la valeur de la vitesse de propagation du son dans l’air et l’eau en km·h-1.

Conditions de propagation du son

  1. Après visionnage de l’extrait suivant, expliquer dans quelles conditions peut se propager une onde sonore.
  2. Critiquer les extraits suivants

Le son est une vibration mécanique qui a besoin d’un milieu matériel pour pouvoir se propager.

Tout phénomène capable de provoquer une perturbation d’un milieu matériel peut être à l’origine d’un son.

Période et fréquence

Définitions

Signal périodique
onde sonore qui possède un motif élémentaire qui se répète toujours à l’identique
Période
notée T, elle correspond à la durée d’un motif élémentaire
Fréquence
notée f, elle correspond au nombre de motifs élémentaires par seconde, elle s’exprime
f = 1/T
avec T en s, f s’exprime en Hz.

Signal périodique.png
Par F5ZV sur Wikipédia français — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, Lien

Les sons audibles par l’être humain ont une fréquence comprise entre 20 Hz et 20 kHz.

Au delà de 20kHz, ce sont les ultrasons et en deçà, les infrasons.

Exercice : calcul de période

Exercice : Représenter un domaine de fréquence

Domaine de fréquence de différentes espèces
Espèce Domaine (Hz)
Homme 20 - 20 × 103
Chien 50 - 60 × 103
Dauphin 100 - 200 × 103
Éléphant 15 - 10 × 103

Caractéristiques d’un son

Caractériser la perception d’un son

Lorsqu’une guitare, une flûte ou un piano jouent une même note, on ne perçoit pas ces sons de la même manière.

Comment différencier ces notes ?

Vocabulaire

Amplitude
correspond à la différence entre le maximum et le minimum de la courbe.

Matériel

  • smartphone avec phyphox
  • instruments (flûte, ukulele, guitare, diapason)

Protocole 1

  1. Ouvrir l’onglet Mesure du son de l’application phyphox
  2. Sélectionner une durée de 10 ms
  3. Lancer l’acquisition en appuyant sur le bouton ‘▶️’
  4. Observer le signal reçu par l’application lorsque le diapason est mis en vibration.

Protocole 2

  1. Reprendre le protocole 1
  2. Enregistrer le son émis par l’instrument
  1. Réaliser le protocole 1.
  2. Décrire comment évolue le son en terme d’intensité sonore au cours du temps.
  3. Décrire l’évolution de l’amplitude du signal en fonction du temps.
  4. Avec le diapason :
  5. Réaliser le protocole 2 avec le diapason.
  6. Représenter le signal obtenu par un schéma annoté.
  7. Mesurer la durée de trois motifs élémentaires, puis calculer la période correspondante.
  8. Calculer la fréquence correspondante.
  9. Pour chaque instrument à disposition, refaire les étapes précédentes.

Exercices

Mesure de période

Premier signal enregistré
Deuxième signal
Troisième signal
Quatrième signal
  2. Exprimer puis calculer la valeur de fréquence correspondante.

Sensibilité auditive

Vocabulaire

hauteur d’un son
la hauteur d’un son est liée à sa fréquence. Plus la fréquence est élevée, plus la hauteur du son est grande.

La Sensibilité de l’oreille humaine varie avec la fréquence des sons.

Le diagramme de Fletcher permet de visualiser ce phénomène.

Une même courbe rend compte d’une sensation d’égale intensité.

Sensibilité de l’oreille (Source spectra.fr)
  1. Expliquer selon vos termes la phrase en italique.
  3. Déterminer graphiquement pour quelle fréquence l’oreille humaine est la plus sensible.
  4. Déterminer le niveau d’intensité sonore nécessaire pour entendre un son de fréquence f = 100 Hz.
  5. Indiquer si la hauteur d’un son est-elle un facteur de risque. Justifier la réponse.

Nuisance sonores

En Ile-de-France, 900 000 personnes, serait ainsi exposée à des niveaux sonores dépassant les seuils réglementaires sur l’ensemble de la journée.

Quelles en sont les raisons ? Comment les caractériser ?

Échelle des niveaux d’intensité

Pour 54 % des Français (enquête TNS – SOFRES de mai 2010 « les Français et les nuisances sonores » - ministère du Développement durable), le bruit des transports (trains, avions, circulation…) est la principale source de nuisance, loin devant les bruits de comportements qui gêneraient 21 % de la population.

- Source ecologie.gouv.fr

  • La législation française limite le niveau d’intensité des voitures à 70 dB.
  • Lorsque la distance est multipliée par 10, le niveau d’intensité est réduit de 20 dB.
  1. Indiquer la principale source de nuisances sonores en agglomération.
  2. Lorsque deux sources émettent un bruit avec un même niveau d’intensité, le niveau d’intensité total est seulement 3 dB supérieur à celui d’une seule source. Déterminer à partir de combien de voitures le seuil de niveau d’intensité est dépassé selon la législation du travail.
  3. Situé à 1 m de la source, on relève un niveau d’intensité de 90 dB. Déterminer la valeur du niveau d’intensité à 100 m de la source.

Exercices

Propagation du son et température de l’air

On place deux émetteurs/récepteurs d’ultrasons aux extrémités de deux tubes identiques, de longueur L= 4,0 cm qui contiennent de l’air. Le premier tube est maintenu à θ=+ 30 °C et le second à θ=− 10 °C grâce à un système d’isolation thermostaté.

On envoie simultanément une salve d’ultrasons dans chaque tube. Les émetteurs et récepteurs sont reliés à un ordinateur qui enregistre les signaux émis et reçus à l’autre extrémité. On obtient le graphique suivant :

  1. Pourquoi les courbes qui modélisent les salves sur l’écran sont-elles décalées sur l’axe des abscisses ?
  2. Donner la durée de parcours des ultrasons dans chaque cas.

Vitesse de propagation du son dans l’air en fonction de la température

Echolocalisation

Un pêcheur utilise un sonar pour connaître la profondeur d’eau présente sous le bateau et repérer d’éventuels bancs ded poissons.

Le sonar émet des ultrasons à la verticale du bateau, vers le fond marin. Lorsque les ultrasons rencontrent un obstacle, ils sont réfléchis et une partie est captée par le sonar.

L’intervalle de temps dans la situation présente est de 25 ms et l’eau à une température de 10°C.

Vitesse de propagation d’une onde sonore dans l’eau en fonction de la température
Célérité du son (m/s) Température (°C)
1450 0
1470 5
1490 10
1500 12
1505 15
1525 20