Salut ! Alors comme ça, tu as un contrôle sur le son et tu n'as jamais vu la notion ? Aucun problème. On va faire simple, rapide, efficace. Pour comprendre le son, il te faut juste deux ou trois idées de base. Accroche-toi, dans quelques minutes tu sauras lire un oscillogramme et classer des sons. Prêt ? C'est parti !
Prérequis express
Avant de plonger, vérifions que tu maîtrises ces notions :
- Une vibration est un mouvement répétitif de va-et-vient (exemple : une corde de guitare qui oscille).
- Un graphique représente l'évolution d'une grandeur (ici la tension électrique) au cours du temps.
- Savoir convertir des millisecondes en secondes : 1 ms = 0,001 s = 10⁻³ s.
- La période T est le temps que met un phénomène périodique pour se répéter à l'identique. La fréquence f est le nombre de répétitions par seconde ; elles sont liées par f = 1/T.
L'essentiel de la notion
Qu'est-ce qu'un son ?
Un son est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, solide). Il ne se propage pas dans le vide.
Du son à l'oscillogramme : un microphone convertit la vibration sonore en signal électrique. L'oscilloscope affiche l'oscillogramme : la tension en fonction du temps. On y lit la période T (en s) et l'amplitude.
Hauteur : liée à la fréquence (aigu = fréquence élevée, grave = fréquence basse). Intensité : liée à l'amplitude (fort/doux), indépendante de la fréquence.
Domaines de fréquences :
- Infrasons : f < 20 Hz (inaudibles)
- Sons audibles : 20 Hz ≤ f ≤ 20 000 Hz
- Ultrasons : f > 20 000 Hz (inaudibles)
Célérité du son dans l'air : v ≈ 340 m/s à 20°C.
Longueur d'onde : λ = v / f (en m).
À toi de jouer
1. Exercice 1 – Classer des sons
Complète le tableau avec le domaine correspondant.
a) Cri de chauve-souris : f = 80 000 Hz → c'est un
b) Contrebasse : f = 60 Hz → c'est un
c) Sifflement humain : f = 1500 Hz → c'est un
d) Séisme : f = 5 Hz → c'est un
Corrigé
a) ultrason
b) son audible (car 60 Hz entre 20 et 20 000 Hz)
c) son audible
d) infrason
2. Exercice 2 – Lire un oscillogramme simple
Voici l'oscillogramme d'un son pur. La base de temps est 1,0 ms/div. La période occupe 4,0 divisions.
Complète :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Ce son appartient au domaine (infrason / audible / ultrason).
Corrigé
T = 4,0 × 1,0 ms = 4,0 ms = 4,0×10⁻³ s
f = 1 / (4,0×10⁻³) = 250 Hz
Domaine : audible (car 250 Hz entre 20 et 20 000 Hz)
3. Exercice 3 – Longueur d'onde
Un son a pour fréquence f = 500 Hz. La célérité du son dans l'air est v = 340 m/s.
Rappelle la relation : λ = v /
Calcule λ = / = m
Exprime le résultat en centimètres : λ ≈ cm
Corrigé
λ = v / f
λ = 340 / 500 = 0,68 m
λ ≈ 68 cm
Ah, tu as déjà entendu parler de fréquence, période, hertz... Ça te dit quelque chose, mais c'est flou ? Pas de souci, on va remettre tout ça en place. On reprend les bases avec méthode, et tu vas voir, c'est comme le vélo, ça revient vite.
Rappel organisé
Un son = une vibration qui a besoin de matière pour se propager (pas dans le vide).
Grandeurs clés :
- Période T (s) : temps d'un motif complet.
- Fréquence f (Hz) : nombre de motifs par seconde. f = 1/T.
- Amplitude : liée à l'intensité sonore (doux/fort).
Domaines : infrason (<20 Hz), audible (20 Hz - 20 000 Hz), ultrason (>20 000 Hz).
Longueur d'onde λ = v / f (en m), avec v ≈ 340 m/s dans l'air.
Oscillogramme : permet de mesurer T.
Méthode : lire un oscillogramme pas à pas
- Repérer un motif élémentaire qui se répète à l'identique.
- Compter le nombre n de divisions qu'il occupe sur l'axe horizontal (temps).
- Calculer T en secondes : T = n × (base de temps en s/div). Attention à convertir les ms en s.
- En déduire f = 1/T.
- Vérifier la cohérence : f est-elle dans le domaine audible ?
Exemple fléché
À toi de jouer
1. Exercice 1 – Application directe
Un oscillogramme est réglé avec une base de temps de 2,0 ms/div. Le motif de base occupe 5,0 divisions.
Complète les calculs.
a) T = × = ms = s
b) f = 1 / = Hz
c) Ce son est-il plus grave ou plus aigu que le La 440 Hz ? (grave / aigu) car Hz 440 Hz.
Corrigé
a) T = 5,0 × 2,0 ms = 10 ms = 1,0×10⁻² s
b) f = 1 / (1,0×10⁻²) = 100 Hz
c) Plus grave car 100 Hz < 440 Hz.
2. Exercice 2 – Domaines de fréquences
Classe chaque son.
a) f = 15 Hz → (infrason / audible / ultrason)
b) f = 20 000 Hz → (limite audible)
c) f = 1500 Hz →
d) f = 25 000 Hz →
Corrigé
a) infrason
b) audible (20 000 Hz est dans la limite supérieure)
c) audible
d) ultrason
3. Exercice 3 – Longueur d'onde
Un son audible a une fréquence f = 1000 Hz. v = 340 m/s.
Rappelle la relation et complète.
λ = / = m
Donne le résultat en centimètres : cm
Corrigé
λ = v / f = 340 / 1000 = 0,34 m soit 34 cm
Allez, on se chauffe les neurones ! Maintenant que tu as pigé le truc, on va faire des exercices en boucle pour que ça devienne automatique. Cinq petits exos, tous les mêmes, pour bien ancrer la mécanique. À la fin, calculer une période et une fréquence, ce sera du gâteau.
À toi de jouer
1. Exercice 1
Base de temps : 1,0 ms/div. La période occupe 3,0 divisions.
Calcule :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Domaine : (rappel : 20 Hz ≤ audible ≤ 20 000 Hz)
Corrigé
T = 3,0 × 1,0 ms = 3,0 ms = 3,0×10⁻³ s
f = 1 / (3,0×10⁻³) ≈ 333 Hz
Audible.
2. Exercice 2
Base de temps : 2,0 ms/div. La période occupe 4,0 divisions.
Calcule :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Domaine :
Corrigé
T = 4,0 × 2,0 ms = 8,0 ms = 8,0×10⁻³ s
f = 1 / (8,0×10⁻³) = 125 Hz
Audible.
3. Exercice 3
Base de temps : 0,5 ms/div. La période occupe 10 divisions.
Calcule :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Domaine :
Corrigé
T = 10 × 0,5 ms = 5,0 ms = 5,0×10⁻³ s
f = 1 / (5,0×10⁻³) = 200 Hz
Audible.
4. Exercice 4
Base de temps : 5,0 ms/div. La période occupe 2,0 divisions.
Calcule :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Domaine :
Corrigé
T = 2,0 × 5,0 ms = 10 ms = 1,0×10⁻² s
f = 1 / (1,0×10⁻²) = 100 Hz
Audible.
5. Exercice 5
Base de temps : 0,2 ms/div. La période occupe 25 divisions.
Calcule :
T = × = ms = s
f = 1 / = Hz
Domaine :
Corrigé
T = 25 × 0,2 ms = 5,0 ms = 5,0×10⁻³ s
f = 1 / (5,0×10⁻³) = 200 Hz
Audible.
Bon, tu es chaud ? On passe aux choses sérieuses : des exercices comme dans un vrai contrôle. Tu vas devoir réfléchir un peu plus, utiliser tout ce que tu as appris. Rappelle-toi des formules, des conversions, et n'oublie pas : le son ne se propage pas dans le vide ! On y va.
À toi de jouer
1. Exercice 1 – Domaines de fréquences (4 points)
Classe chacun des sons suivants (infrason, son audible, ultrason) et indique s'il est perçu par l'oreille humaine.
a) Son émis par un sonar de bateau : f = 50 000 Hz
b) Tremblement de terre : f = 2 Hz
c) Voix humaine chantée : f = 440 Hz
d) Sifflet à ultrason pour chien : f = 30 000 Hz
Corrigé
a) 50 000 Hz > 20 000 Hz → ultrason, non perçu.
b) 2 Hz < 20 Hz → infrason, non perçu.
c) 440 Hz entre 20 Hz et 20 000 Hz → son audible, perçu.
d) 30 000 Hz > 20 000 Hz → ultrason, non perçu.
2. Exercice 2 – Lecture d'un oscillogramme (4 points)
Un oscilloscope affiche le signal d'un diapason. La base de temps est réglée à 2,0 ms/div. On mesure que la période occupe 6,0 divisions.
a) Calcule la période T en secondes.
b) Calcule la fréquence f correspondante.
c) Ce son est-il grave ou aigu par rapport au La₃ (f = 440 Hz) ? Justifie.
Corrigé
a) T = 6,0 × 2,0 ms = 12 ms = 1,2×10⁻² s
b) f = 1 / (1,2×10⁻²) ≈ 83 Hz (arrondi à l'unité : 83 Hz)
c) 83 Hz < 440 Hz, donc plus grave que le La₃.
3. Exercice 3 – Longueur d'onde (4 points)
v = 340 m/s.
Son A : fA = 200 Hz
Son B : fB = 4000 Hz
a) Rappelle la relation entre v, λ et f, puis isole λ.
b) Calcule λA et λB en mètres.
c) Exprime λB en centimètres.
d) Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est ... (complète).
Corrigé
a) v = λ × f → λ = v / f
b) λA = 340 / 200 = 1,70 m ; λB = 340 / 4000 = 0,085 m
c) λB = 8,5 cm
d) Plus la fréquence est élevée, plus la longueur d'onde est petite.
4. Exercice 4 – Hauteur, intensité, timbre (3 points)
Un hautbois et un violon jouent la même note La₃ (f = 440 Hz) avec la même intensité sonore.
a) Quelle grandeur caractérise la hauteur d'un son ?
b) Quelle grandeur caractérise l'intensité (volume) ?
c) On reconnaît pourtant les deux instruments. Explique en utilisant le mot « timbre ».
d) Calcule la période T de cette note.
Corrigé
a) La hauteur est caractérisée par la fréquence.
b) L'intensité est caractérisée par l'amplitude du signal.
c) Même note (même fréquence) et même volume, mais la forme du signal (timbre) est différente car chaque instrument produit des harmoniques différents.
d) T = 1 / 440 ≈ 2,27×10⁻³ s (2,27 ms).
5. Exercice 5 – Mesure de distance par écho (5 points)
Un randonneur frappe dans ses mains face à une falaise. L'écho lui revient après une durée t = 0,80 s. On prend v = 340 m/s.
a) Décris le trajet complet du son entre l'émission et la réception.
b) Calcule la distance totale d parcourue par le son (aller-retour).
c) Déduis la distance d₀ entre le randonneur et la falaise.
Corrigé
a) Le son émis parcourt la distance d₀ jusqu'à la falaise, puis revient en parcourant à nouveau d₀ jusqu'au randonneur. Trajet total = 2 × d₀.
b) d = v × t = 340 × 0,80 = 272 m (aller-retour).
c) d₀ = d / 2 = 136 m.
Curieux d'aller plus loin ? Voici un avant-goût de ce qui t'attend l'année prochaine en spécialité physique-chimie. On va explorer des situations un peu différentes : le son dans l'eau, l'effet Doppler, et la richesse d'un son musical. Ce n'est pas au programme de cette année, mais ça te donnera une longueur d'avance. Alors, prêt à impressionner ton prof ?
Ouverture : célérité dans d'autres milieux
La célérité du son dépend du milieu : dans l'eau, v ≈ 1500 m/s, soit environ 4,4 fois plus vite que dans l'air. Conséquence : pour une même fréquence, la longueur d'onde est plus grande dans l'eau.
Effet Doppler (aperçu qualitatif)
Quand une source sonore se rapproche de l'observateur, les fronts d'onde sont comprimés : la fréquence perçue est plus élevée (son plus aigu). Quand elle s'éloigne, la fréquence perçue est plus basse (son plus grave). C'est l'effet Doppler, utilisé en vélocimétrie ou en astrophysique.
Timbre et spectre
Un son pur (type diapason) est une sinusoïde à une fréquence unique. Mais la plupart des instruments produisent un son complexe : un fondamental (la note) auquel s'ajoutent des harmoniques (fréquences multiples entières). Le spectre en fréquence révèle ces composantes ; c'est ce qui fait le timbre caractéristique de chaque source.
À toi de jouer
1. Exercice 1 – Son dans l'eau
Un dauphin émet un signal de fréquence f = 50 000 Hz (ultrason).
a) Calcule la longueur d'onde λ dans l'air (vair = 340 m/s).
b) Dans l'eau, veau = 1500 m/s. Calcule la nouvelle longueur d'onde λ' dans l'eau.
c) Compare les deux longueurs d'onde. Que peux-tu en conclure sur la capacité de détection des obstacles dans l'eau ?
Corrigé
a) La longueur d'onde dans l'air se calcule avec la relation $\lambda = \dfrac{v}{f}$ :
$\lambda_{\text{air}} = \dfrac{340}{50\,000} = 6{,}8 \times 10^{-3}\text{ m} = 6{,}8\text{ mm}$
b) La fréquence ne change pas quand l'onde passe d'un milieu à un autre, seule la vitesse change. Donc :
$\lambda'_{\text{eau}} = \dfrac{v_{\text{eau}}}{f} = \dfrac{1\,500}{50\,000} = 0{,}030\text{ m} = 3{,}0\text{ cm}$
c) La longueur d'onde dans l'eau est environ $\dfrac{3{,}0\text{ cm}}{6{,}8\text{ mm}} \approx 4{,}4$ fois plus grande que dans l'air pour la même fréquence.
Or, la détection d'un obstacle repose sur sa capacité à réfléchir l'onde vers l'émetteur. Pour qu'une réflexion nette ait lieu, il faut que la taille de l'obstacle soit grande devant la longueur d'onde. Quand $\lambda$ est grand, le phénomène de diffraction domine : l'onde contourne l'obstacle au lieu de se réfléchir dessus, et l'écho est faible ou absent.
Une plus grande longueur d'onde dégrade donc la capacité à détecter de petits obstacles. C'est précisément pour compenser la vitesse élevée du son dans l'eau que les dauphins (et les sonars) utilisent des ultrasons à très haute fréquence : en choisissant $f = 50\,000\text{ Hz}$, la longueur d'onde dans l'eau reste de l'ordre du centimètre, ce qui permet de détecter des obstacles de taille centimétrique ou plus. Si le dauphin utilisait des fréquences plus basses, $\lambda$ serait trop grand et la précision de détection s'effondrerait.
2. Exercice 2 – Effet Doppler, découverte
Un camion de pompiers sirène hurlante approche d'un observateur immobile, puis le dépasse et s'éloigne.
a) L'observateur perçoit-il la même hauteur (fréquence) à l'approche et à l'éloignement ?
b) Qualifie le son perçu : plus aigu ou plus grave que la sirène au repos quand le camion approche ?
c) Et quand il s'éloigne ?
d) Propose une explication simple avec l'image des « vagues » sonores comprimées ou dilatées.
Corrigé
a) Non, la hauteur perçue change.
b) Quand le camion approche, le son est plus aigu (fréquence perçue plus élevée).
c) Quand il s'éloigne, le son est plus grave (fréquence perçue plus basse).
d) Les crêtes des ondes sonores sont plus rapprochées quand la source se rapproche (comme les vagues devant un bateau qui avance) : la fréquence augmente. Quand elle s'éloigne, les crêtes sont plus espacées : la fréquence diminue. C'est l'effet Doppler.
3. Exercice 3 – Spectre et timbre
Deux instruments jouent la note La₃ (f = 440 Hz). Leur enregistrement donne les spectres suivants (description) :
- Instrument A : pic unique à 440 Hz.
- Instrument B : pic à 440 Hz + pics plus faibles à 880 Hz, 1320 Hz, 1760 Hz.
a) Quel instrument correspond probablement à un diapason ? Justifie.
b) Pourquoi l'instrument B possède-t-il plusieurs pics, alors que la note perçue est la même ?
c) Comment appelle-t-on ces fréquences multiples ?
d) Explique pourquoi on peut différencier un violon d'une flûte même s'ils jouent la même note.
Corrigé
a) Le diapason produit un son quasi pur, donc spectre A (pic unique).
b) L'instrument B produit un son complexe : le fondamental à 440 Hz fixe la hauteur perçue, mais des harmoniques (880 Hz = 2×440 Hz, etc.) s'ajoutent. Ces harmoniques dépendent de la forme de l'instrument et de son matériau, et forment le timbre.
c) Ce sont les harmoniques (fréquences multiples entières du fondamental).
d) Même note (même fondamental) mais des spectres différents (amplitudes relatives des harmoniques) permettent de distinguer le timbre du violon de celui de la flûte.