I) Mise en situation
Pour introduire la propagation d'un son, il est utile d'effectuer les séances d'activités expérimentales suivantes :
II) Rappels sur les phénomènes périodiques
Les phénomènes périodiques comme son non l'indique, font appel à la notion de période et de fréquence.
1) Définition
Le signal périodique se définit de la façon suivante :
Définition : Une signal périodique est une information qui se répète à l'identique à elle-même à intervalles de temps réguliers.
Les types de signaux périodiques sont très divers dans le monde qui nous entoure.
2) Période
La période se définit de la façon suivante :
Définition : La période, notée \(\displaystyle T\), d'un signal périodique, est le plus petite intervalle de temps au bout du quel le signal périodique se reproduit à l'indentique. Elle est exprimée en secondes dans le système international.
Exemple : Dans le cas des feux tricolores, il s'agit du temps séparant deux apparations successives de la même couleur.
3) Fréquence
La fréquence se définit de la façon suivante :
Définition : La fréquence, notée \(\displaystyle f\), d'un signal périodique, est le nombre de répétitions de ce signal par unité de temps. Elle est exprimée en hertz de symbole Hz et est reliée à la période par la formule \(\displaystyle f=\dfrac{1}{T}\).
III) Emission et propagation d'un signal sonore
Un signal sonore est crée et se propage selon le milieu dans lequel il est créé.
1) Emission
Une vibration doit être créer pour emetre un son. Pour amplifier ce son, c'est-à-dire pour augmenter son intensité, on utilise une caisse de résonance.
Les vibrations peuvent être créées par choc ou par frottement comme dans les exemples suivants :
| Voix | Piano | Violon | Clarinette | |
| Vibreur | cordes vocales | cordes métalliques | cordes métalliques ou synthétiques | anche |
| Caisse de résonance | résonateurs bucco-pharyngés | caisse en bois | caisse en bois | corps en bois |
2) Propagation
Une onde sonore est considérée comme une perturbation mécanique (une vibration). Elle se propage dans un milieu matériel. Ce qui signifie qu'il est obligatoire d'avoir de la matière pour que le son puisse se propager. Ainsi, dans le vide, le son ne se propage pas.
Cette perturbation se présente sous al fome de compressions et dilatations du milieu dans lequel elle se propage.
Pour le cas classique de l'air, ce sont les variations de pressions qui propagent le sont, comme l'illustre le schéma suivant :
La célérité des ondes sonores dépend du milieu dans lequele elles se propagent. Cette dépendance est relative à la température et à la composition du milieu). Dans l'air ambiant, cette vitesse est considérée égale à 340 m.s-1.
Remarque : Attention à ne pas confondre la célérité d'une onde et la vitesse lors d'un déplacement de matière.
A titre de comparaison, voici quelques vitesses :
| Limite de vitesse sur autoroute | Airbus A380 | Son dans l'air ambiant | Terre autour du Soleil | Lumière dans le vide | |
| Vitesse en m.s-1 | 36,1 | 292 | 340 | \(\displaystyle 3,0\times10^4\) | \(\displaystyle 3,0\times10^8\) |
| Rapport \(\displaystyle \dfrac{v}{v_{son}}\) | 0,106 | 0,859 | 1 | 88 | \(\displaystyle 8,8\times10^5\) |
IV) Perception d'un son
La perception d'un son dépend de plusieurs paramètres.
1) Domaine de fréquences
Pour l'oreille humaine, les ondes sonores audibles ont uen fréquene comprise entre 20 Hz et 20000 Hz Pour des fréquences inférieures à 20 Hz, le domaine de fréquence est appelé infrason. Pour celles supérieures à 20 kHz, le domaine est appelé l'ultrason.
2) Hauteur
La hauteur d'un son désigne la sensation de la perception aiguë ou grave d'un son. Cette propriété est directement liée à la fréquence su son.
Ainsi, plus le son est aiguë, plus la fréquence est élevée et au contraire, plus le son est grave, plus la fréquence est basse.
3) Timbre
Le timbre est le phénomène qui différencie deux sons différents émis à la même fréquence. A titre d'exemple, le son La d'un piano a la même fréquence que le son La du téléphone ou d'une flûte. Mais il est bien évident que la sensation perçue par l'oreille humaine est différente. Cette différence de sensation est liée au timbre.
Au niveau du signal, la fréquence sera la même mais la forme du signal sera différente.
4) Intensité sonore et niveau d'intensité sonore.
La force d'un signal sonore se quantifie. Pour cela, on utlise l'intensité sonore, notée \(\displaystyle I\). Elle s'exprime en whatt par mètre carré : W.m-2.
Cette grandeur est directement liée à l'amplitude du signal et décroit en fonction de la distance de la source sonore.
Il est possible de mesurer le niveau d'intensité sonore à l'aide d'un sonomètre. Le résultat est exprimé en décibels : dB.
L'intensité sonore et le niveau d'intensité sonore sont liés mais ne sont pas proportionnels.
V) Autres applications des ondes sonores
Au dela de l'utilisation de la voix, de notes de musique, il existe de nombreux autres domaines d'application des ondes sonores.
1) Echographie
L'echographie est une technique s'imagerie médicale utilisant les ultrasons. La réflésion des ondes sonores sur certains tissus ou des os peermet de visualiser des orgaebes ou autre parties du corps.
2) Sonar
Sur le même principe de l'échographie, les ondes sonores peuvent être utilisées pour détecter des obstacles, des murs, des objets, des fonds marins, ...
