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Émission et propagation d’un signal sonore

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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 la période et la fréquence 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.

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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.

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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.

physique chimie première ondes mécaniques sons longitudinales 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

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 :

onde périodique sinusoïdale

  • 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 ms1340\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
eau (liquide) 1 500 ms11\ 500\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
verre (solide) 5 500 ms15\ 500\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
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À retenir

La vitesse de propagation d’une onde sonore dépend du milieu de propagation.

Mesurer la vitesse de propagation d’une onde sonore

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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=dtv=\dfrac{d}{t}

Avec :

  • vv en mètre par seconde (ms1\text{m}\cdot\text{s}^{-1}) ;
  • dd en mètre (m\text{m}) ;
  • tt en seconde s\text{s}.
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Exemple

  • Un signal sonore met 5 s5\ \text{s} pour parcourir la distance de 2 km2\ \text{km} qui sépare la source sonore de l’observateur. La vitesse de propagation est alors :
    v=dt=2 0005=400 ms1v=\dfrac{d}{t}=\dfrac{2\ 000}{5}= 400\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}
  • Un tonnerre est entendu 2 s2\ \text{s} après l’observation de l’éclair. En sachant que le son se propage dans l’air à une vitesse de 340 ms1340\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1} et que v=dtv=\dfrac{d}{t}, alors : d=v×t=340×2=680 md=v\times t = 340 \times 2 = 680\ \text{m} L’orage a donc frappé à une distance de 680 m680\ \text{m} de l’observateur.

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.

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Définition

Période :

La période, notée TT, est la durée d’un cycle entier, soit la durée d’un motif élémentaire. Elle s’exprime en seconde (s\text{s}).

physique chimie première ondes mécaniques périodiques sinusoïdales Onde traduite par une fonction cosinus

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Définition

Fréquence :

La fréquence, notée ff, est le nombre de motifs élémentaires répétitifs qui se succèdent en 11 seconde, elle s’exprime en hertz (Hz\text{Hz}). Ainsi :

f=1Tf=\dfrac{1}{T}

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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.

son diaposon

On représente ci-dessous l’oscillogramme qu’affiche l’oscilloscope.

son diaposon, oscillogramme, oscilloscope

La période TT est donc égale à 4 s4\ \text{s} et la fréquence ff est : f=1T=14=0,25 Hzf=\dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{4} = 0,25\ \text{Hz}

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À retenir

La période TT et la fréquence ff 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 ms1340\ \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 TT et sa fréquence ff.