Émission et propagation d’un signal sonore
Introduction :
Un signal sonore peut être utilisé pour communiquer, se divertir, localiser un objet ou même pour détecter et traiter des maladies. Qu’il soit audible ou imperceptible par nos oreilles, agréable ou agaçant, un son suit toujours le même schéma. Pour se propager un son est émis par une source sonore à travers un milieu matériel.
Nous développons dans un premier temps les modes d’émission et de propagation d’un signal sonore. Puis, nous décrivons la vitesse d’un signal sonore en fonction du milieu de propagation. Enfin, nous étudions la période et la fréquence d’un signal sonore.
Émission et propagation d’un signal sonore
Émission et propagation d’un signal sonore
Un signal sonore est une perturbation appelée onde mécanique. Son émission par une source sonore est provoquée par la vibration d’un objet (émetteur).
Les vibrations sonores produites peuvent être amplifiées par un dispositif qu’on appelle caisse de résonance.
Exemple
- En posant la main sur un haut-parleur, on peut sentir la vibration périodique de sa membrane à l’émission d’un son. Cette vibration se propage ensuite dans l’air pour atteindre nos oreilles.
- Lorsqu’un artiste pince une corde de sa guitare, il crée une vibration qui se propage tout au long de la corde. Cette vibration est ensuite amplifiée par la caisse de résonance de la guitare avant de se propager dans l’air pour atteindre nos oreilles.
La propagation d’un signal sonore se fait le plus souvent dans l’air (gaz), mais également dans un milieu liquide (eau) et se propage plus rapidement dans les solides.
À retenir
Une onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel pour se propager. Elle ne se propage pas dans le vide, c’est pour cela qu’il n’y a aucun son dans l’espace !
Un signal sonore est un mouvement de compression-dilatation des couches d’air dans la direction de la propagation.
Le son est une onde longitudinale
Ici, nous pouvons voir que l’air se comprime puis se dilate et que les particules se resserrent puis s’éloignent de manière périodique, il en résulte une onde qui se propage dans le sens de la compression-dilatation.
Vitesse de propagation d’un signal sonore
Vitesse de propagation d’un signal sonore
Milieu de propagation d’un signal sonore
Milieu de propagation d’un signal sonore
Comme nous venons de le voir un signal sonore est une perturbation et lors de sa propagation dans le milieu matériel, il n’y a pas de transport de matière, mais un transport d’énergie. Cette propagation s’accompagne de compressions et de dilatations périodiques dans le milieu matériel. Ainsi, la représentation mathématique d’un signal sonore est une onde périodique sinusoïdale où les crêtes (maximums) représentent les compressions du milieu et les creux (minimums) les dilatations :
- Par conséquent, plus le milieu est dense, plus la vitesse de propagation d’une onde sonore est importante.
Par exemple, une onde sonore se propagera près de 4,5 fois plus vite dans l’eau que dans l’air.
| Milieu de propagation | Vitesse de propagation |
| air (température ambiante) | $340\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$ |
| eau (liquide) | $1\ 500\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$ |
| verre (solide) | $5\ 500\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$ |
À retenir
La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend du milieu de propagation.
Mesurer la vitesse de propagation d’une onde sonore
Mesurer la vitesse de propagation d’une onde sonore
À retenir
La vitesse de propagation d’une onde sonore est comme toute vitesse, égale à la distance parcourue sur le temps de parcours :
$$v=\dfrac{d}{t}$$
Avec :
- $v$ en mètre par seconde ($\text{m}\cdot\text{s}^{-1}$) ;
- $d$ en mètre ($\text{m}$) ;
- $t$ en seconde $(\text{s})$.
Exemple
- Un signal sonore met $5\ \text{s}$ pour parcourir la distance de $2\ \text{km}$ qui sépare la source sonore de l’observateur. La vitesse de propagation est alors :
$$v=\dfrac{d}{t}=\dfrac{2\ 000}{5}= 400\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$$ - Un tonnerre est entendu $2\ \text{s}$ après l’observation de l’éclair. En sachant que le son se propage dans l’air à une vitesse de $340\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$ et que $v=\dfrac{d}{t}$, alors : $$d=v\times t = 340 \times 2 = 680\ \text{m}$$ L’orage a donc frappé à une distance de $680\ \text{m}$ de l’observateur.
Caractéristiques d’un signal sonore : sa période et sa fréquence
Caractéristiques d’un signal sonore : sa période et sa fréquence
Un signal sonore est une onde sinusoïdale périodique et comme toute onde périodique, on peut lui attribuer une période et une fréquence.
Définition
Période :
La période, notée $T$, est la durée d’un cycle entier, soit la durée d’un motif élémentaire. Elle s’exprime en seconde ($\text{s}$).
Onde traduite par une fonction cosinus
Définition
Fréquence :
La fréquence, notée $f$, est le nombre de motifs élémentaires répétitifs qui se succèdent en $1$ seconde, elle s’exprime en hertz ($\text{Hz}$). Ainsi :
$$f=\dfrac{1}{T}$$
Exemple
Soit l’expérience suivante :
un diapason produisant un son pur est mis en marche. Les vibrations sonores se propagent alors dans l’air pour atteindre un microphone. Ce dernier transforme le signal sonore en signal électrique de même fréquence.
On représente ci-dessous l’oscillogramme qu’affiche l’oscilloscope.
La période $T$ est donc égale à $4\ \text{s}$ et la fréquence $f$ est : $$f=\dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{4} = 0,25\ \text{Hz}$$
À retenir
La période $T$ et la fréquence $f$ sont inversement proportionnelles ; quand l’une augmente, l’autre diminue.
Conclusion :
Un signal sonore est une onde mécanique qui se propage en alternant des compressions et des dilatations dans tout milieu matériel compressible. D’une part, sa vitesse de propagation dépend uniquement du milieu de propagation. Par exemple, sa vitesse de propagation dans l’air est de $340\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$. D’autre part, sa perception dépend aussi de ses caractéristiques. En effet, un signal sonore est une onde sinusoïdale périodique qui se caractérise par sa période $T$ et sa fréquence $f$.