Émission et perception d'un son

Émission et perception d'un son

Une corde qui vibre, l'air qui se comprime, l'oreille qui décode : de la guitare au murmure, tout son raconte la même histoire physique.

À la fin de ce chapitre, tu sauras :

expliquer comment un son est émis et le rôle d'une caisse de résonance ;

justifier qu'un son a besoin d'un milieu matériel pour se propager ;

connaître l'ordre de grandeur de la vitesse du son dans l'air et la comparer à celle d'autres milieux ;

relier période T et fréquence f d'un signal périodique ( f = 1/T ) ;

distinguer infrasons, sons audibles et ultrasons ;

relier hauteur, timbre et niveau d'intensité sonore aux dangers d'exposition.

Émettre un son : faire vibrer un objet

Émetteur sonore Pour émettre un signal sonore, il faut faire vibrer un objet : cordes vocales, cordes d'une guitare, peau d'un tambour, membrane d'un haut-parleur… Cet objet est appelé émetteur.

Caisse de résonance La caisse de résonance (corps d'une guitare, d'un violon, etc.) amplifie le son : les vibrations de l'émetteur sont transmises à la caisse, qui fait vibrer le volume d'air qu'elle contient.

Sans caisse, le son est minuscule Pince une corde de guitare en l'ayant détachée de la caisse : tu n'entendras presque rien. C'est le bois et l'air de la caisse qui font le volume sonore.

Propagation : un milieu matériel obligatoire

Propagation d'un signal sonore Un signal sonore se propage uniquement dans un milieu matériel élastique (capable de se déformer puis de revenir à sa forme initiale) : air, eau, métal, bois…

Pas de son dans le vide !

Sans matière, rien ne peut transmettre la vibration. Dans l'espace interplanétaire, c'est le silence absolu, quoi qu'en disent les films de science-fiction.

Le mécanisme : les vibrations de l'émetteur perturbent le milieu et créent des zones de compression et de dilatation qui se propagent de proche en proche jusqu'au récepteur, sans transport de matière.

Vitesse du son : ça dépend du milieu

La vitesse de propagation dépend de la nature et de l'état physique du milieu. Elle est plus grande dans les solides et les liquides que dans les gaz.

Formule de la vitesse v = (d)/(Δ t) vitesse en m·s⁻¹ distance en m Δt durée en s air Air (20 °C)≈ 340 m·s⁻¹gaz eau Eau≈ 1500 m·s⁻¹liquide acier Acier≈ 5000 m·s⁻¹solide Et le vide ?

Pas de propagation : v = 0, ou plus exactement, l'onde n'existe tout simplement pas.

Signal périodique : la période T

Signal sonore périodique Un signal est périodique lorsqu'il a un motif élémentaire qui se répète à l'identique à intervalles de temps égaux.

Période T Définition durée d'un motif élémentaire Unité seconde (s)

Fréquence f : combien de motifs par seconde ?

Fréquence f La fréquence est le nombre de motifs élémentaires par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).

f = (1)/(T) fréquence en Hz période en s Petit calcul mental

Si T = 2,0 ms = 2,0 × 10^-3 s, alors f = 1/T = 500 Hz : 500 motifs par seconde.

Plus la période T est courte, plus la fréquence f est élevée.

Inversement, un signal lent (grand T) a une petite fréquence.

Bonne nouvelle : T et f sont inverses, si tu connais l'un, tu as l'autre.

Domaines de fréquence : audible, infra, ultra

Sons audibles 20 Hz < f < 20 000 Hz Infrasons f < 20 Hz Éléphants, séismes, vagues océaniques.

Ultrasons f > 20 000 Hz Chiens, chauves-souris, échographies.

L'audition n'est pas universelle Un chien perçoit jusqu'à ~45 000 Hz, une chauve-souris jusqu'à ~120 000 Hz : pour eux, les ultrasons humains sont des sons ordinaires.

Hauteur : grave ou aigu ?

Hauteur d'un son La hauteur d'un son est liée à sa fréquence.

Son grave basse fréquence (ex : tuba, ~80 Hz) Son aigu haute fréquence (ex : flûte, ~2000 Hz) Conséquence importante

Deux sons de même hauteur ont la même fréquence. C'est pour ça qu'un la (440 Hz) joué à la guitare ou au piano est reconnu comme « le même la ».

Timbre : la signature d'un instrument

Timbre Le timbre est lié à la forme du signal sonore et à son évolution dans le temps.

Une guitare et une flûte qui jouent le même la à 440 Hz ont la même hauteur mais des timbres très différents : c'est ce qui te permet de reconnaître l'instrument à l'oreille, sans le voir.

Pourquoi des formes différentes ?

Un instrument réel ne produit jamais une sinusoïde pure : à la fréquence fondamentale s'ajoutent des harmoniques d'intensités variables, et l'attaque (début du son) puis l'extinction donnent à chaque instrument sa signature sonore.

Intensité sonore et niveau (dB)

Intensité sonore I Grandeur physique liée à l'amplitude du signal, exprimée en watt par mètre carré (W·m⁻²).

Niveau d'intensité sonore L Mesuré au sonomètre, exprimé en décibels (dB). C'est ce qu'on lit usuellement pour parler du « volume » d'un son.

Échelle non linéaire Doubler la sensation sonore correspond à environ +10 dB. Une conversation à 60 dB est ressentie ~10 fois plus forte qu'un murmure à 30 dB.

Seuil d'audibilité ≈ 0 dB Conversation ≈ 60 dB Concert / réacteur 100 - 130 dB Attention aux dangers !

Dès 80 à 85 dB, une exposition prolongée peut provoquer des lésions auditives irréversibles ; et au-delà de 100 dB, quelques minutes suffisent. Les bouchons d'oreilles en concert ne sont pas un caprice : ils protègent durablement ton audition.

Note : pour un même niveau L, la sensation peut varier selon la fréquence, l'oreille n'a pas la même sensibilité partout.

Ce qu'il faut retenir

Un son est émis par un objet qui vibre. La caisse de résonance amplifie ces vibrations.

La propagation exige un milieu matériel élastique : pas de son dans le vide. Mécanisme : compressions/dilatations qui se propagent sans transport de matière.

Vitesse dans l'air à 20 °C : v = 340 m · s^-1. Elle est plus grande dans les liquides (~1500 m·s⁻¹) et les solides (~5000 m·s⁻¹).

Pour un signal périodique : f = (1)/(T), avec T en s et f en Hz.

Trois domaines : infrasons (f < 20 Hz), audibles (20 Hz - 20 kHz), ultrasons (f > 20 kHz).

Hauteur ↔ fréquence ; timbre ↔ forme du signal ; niveau d'intensité sonore (dB) avec échelle non linéaire et danger au-delà de 100 dB.