Les signaux sonores

Physique-chimie Troisième · rappels de quatrième

Le son est le plus souvent étudié en quatrième, mais il revient régulièrement au brevet (orage, sonar, échographie…) : voici l'essentiel.

La propagation du son

Il faut de la matière

Un son est produit par un objet qui vibre (corde de guitare, membrane d'un haut-parleur, cordes vocales). Cette vibration se transmet de proche en proche à la matière qui l'entoure. Un réveil qui sonne sous une cloche dont on retire l'air ne s'entend plus :

air : on entend la sonneriepompevide : on n'entend plus rien
Le son se propage dans les solides, les liquides et les gaz, mais pas dans le vide : il a besoin d'un milieu matériel. Dans l'espace, aucun son ne se propage.

La vitesse du son

Milieuaireauacier
Vitesse du sonenviron 340 m/senviron 1500 m/senviron 5000 m/s

Le son est bien plus lent que la lumière (300 000 km/s). La distance parcourue et la durée de propagation sont liées par la relation vue en étude de mouvements :

\[ d = v \times t \]

L'orage : on voit un éclair, puis on entend le tonnerre 6 s plus tard. 📄 ✏️ 🧮

📖
1. Pourquoi voit-on l'éclair avant d'entendre le tonnerre ?

Les deux sont produits en même temps, mais la lumière arrive presque instantanément alors que le son, beaucoup plus lent, met plusieurs secondes.

📖
2. À quelle distance l'orage se trouve-t-il ?

\(d = v \times t = 340 \times 6 = 2040\ \text{m}\), soit environ 2 km. Astuce : le son parcourt environ 1 km en 3 s.

La fréquence d'un son

Grave ou aigu

La fréquence d'un son est le nombre de vibrations par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus il est grave.

L'oreille humaine entend les sons de fréquence comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz : ce sont les sons audibles. En dessous de 20 Hz, ce sont des infrasons ; au-dessus de 20 000 Hz, des ultrasons.

Les ultrasons sont utilisés pour l'échographie et le sonar des bateaux (voir l'exercice du sondeur dans étude de mouvements).

Les risques auditifs

Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) avec un sonomètre.

30 dBchuchotement
60 dBconversation
80 dBrue animée
100 dBcasque à fond, concert
120 dBseuil de douleur, réacteur d'avion

À partir de 85 dB environ, une exposition prolongée abîme l'oreille.

Un son trop fort, même bref, ou une exposition longue à un son fort peuvent abîmer définitivement l'oreille (acouphènes, surdité). On se protège en baissant le volume du casque, en s'éloignant des enceintes et en portant des bouchons d'oreilles en concert.

Bilan

L'essentiel à retenir du chapitre.

Propagation

  • Le son a besoin d'un milieu matériel : pas de son dans le vide.
  • Vitesse dans l'air : environ 340 m/s ; \(d = v \times t\).

Fréquence et risques

  • Fréquence en hertz (Hz) : grave = petite fréquence, aigu = grande fréquence.
  • Audibles : 20 Hz à 20 000 Hz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus.
  • Niveau sonore en décibels (dB) : danger à partir de 85 dB environ.

Exercices

Exercice 1 : texte à trous sur le son ✏️

📝 Sélectionne les bonnes réponses :

Exercice 2 : infrason, son audible ou ultrason ? ✏️

📝 Indique la nature de chaque son.
💡 Indice Compare la fréquence à 20 Hz et à 20 000 Hz.
SonFréquenceNature
note la du diapason440 Hz
cri de chauve-souris50 000 Hz
grondement d'un séisme5 Hz
sifflet à chien25 000 Hz
voix humaine200 Hz
échographie3 000 000 Hz

Exercice 3 : Vrai ou faux sur le son ✏️

📝 Réponds par Vrai ou Faux :

Exercice 4 : l'oreille contre le rail 📄 ✏️ 🧮


Dans les westerns, on colle l'oreille contre le rail pour entendre arriver le train. Un train se trouve à \(d = 1700\ \text{m}\). Vitesse du son : 340 m/s dans l'air, 5000 m/s dans l'acier.


📖
1. Exprime la durée de propagation \(t\) en fonction de \(d\) et \(v\).
💡 Indice Utilise le triangle de la proportionnalité avec d = v × t.

\(t = \dfrac{d}{v}\).

📖
2. Calcule la durée de propagation du son dans l'air, puis dans le rail.
💡 Indice Même formule, deux vitesses différentes.

Air : \(t = \dfrac{1700}{340} = 5\ \text{s}\). Rail : \(t = \dfrac{1700}{5000} = 0{,}34\ \text{s}\).

📖
3. Conclus.
💡 Indice Compare les deux durées.

Le son arrive presque 15 fois plus vite par le rail : on entend le train bien avant qu'il soit audible dans l'air.

Exercice 5 : un film de science-fiction 📄 ✏️


Dans un film, un vaisseau spatial explose dans l'espace avec un énorme « BOUM » entendu par l'équipage d'un autre vaisseau.


📖
1. Cette scène est-elle réaliste ? Justifie.
💡 Indice Le son peut-il traverser le vide ?

Non : l'espace est presque vide, et le son ne se propage pas dans le vide. L'équipage ne pourrait rien entendre.

📖
2. L'équipage pourrait-il voir l'explosion ?
💡 Indice Et la lumière ?

Oui : la lumière, elle, se propage dans le vide.