Émission et perception d'un son — Exercices

Lecture d'oscillogramme, domaines de fréquences, longueur d'onde et mesure par écho.

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1Domaines de fréquences/ 4 pts

Classe chacun des sons suivants (infrason, son audible ou ultrason) et indique s'il est perçu par l'oreille humaine.

Son émis par une chauve-souris : $f = 45\,000\,\text{Hz}$
Grondement de tonnerre lointain : $f = 10\,\text{Hz}$
Note de musique : $f = 880\,\text{Hz}$
Sifflet pour chien : $f = 22\,000\,\text{Hz}$

2Lecture d'un oscillogramme/ 4 pts

Un oscilloscope affiche le signal d'une flûte. La base de temps est réglée à $2{,}0\,\text{ms/div}$. On mesure que la période occupe $5{,}0$ divisions sur l'écran.

Calcule la période $T$ de ce son.
Calcule la fréquence $f$ correspondante.
Ce son est-il grave ou aigu par rapport à la note La ($f_{\text{La}} = 440\,\text{Hz}$) ?

3Longueur d'onde/ 4 pts

La célérité du son dans l'air est $v = 340\,\text{m/s}$. On considère deux sons :

Son A : $f_A = 340\,\text{Hz}$
Son B : $f_B = 17\,000\,\text{Hz}$

Rappelle la relation entre $v$, $\lambda$ et $f$. Isole $\lambda$.
Calcule $\lambda_A$ pour le son A.
Calcule $\lambda_B$ pour le son B. Exprime le résultat en centimètres.

4Hauteur, intensité et timbre/ 3 pts

Une violoniste et un pianiste jouent simultanément la même note : $f = 440\,\text{Hz}$, avec le même volume sonore.

Quelle grandeur caractérise la hauteur d'un son ? Quelle grandeur caractérise son intensité ?
On reconnaît aisément les deux instruments malgré la même note et le même volume. Explique ce phénomène en utilisant le mot timbre.
Calcule la période $T$ de cette note.

5Mesure de distance par écho/ 5 pts

On frappe dans ses mains face à une falaise. L'écho revient $t = 0{,}60\,\text{s}$ après l'émission. On prend $v = 340\,\text{m/s}$.

Décris le trajet parcouru par le son entre l'émission et la réception de l'écho.
Calcule la distance totale $d$ parcourue par le son pendant $t = 0{,}60\,\text{s}$.
En déduis la distance $d_0$ entre l'observateur et la falaise.

Corrigé détaillé

1Domaines de fréquences

a) $45\,000\,\text{Hz} \gt 20\,000\,\text{Hz}$ $\text{Ultrason — non perçu par l'oreille humaine.}$

b) $10\,\text{Hz} \lt 20\,\text{Hz}$ $\text{Infrason — non perçu par l'oreille humaine.}$

c) $20\,\text{Hz} \le 880\,\text{Hz} \le 20\,000\,\text{Hz}$ $\text{Son audible — perçu par l'oreille humaine.}$

d) $22\,000\,\text{Hz} \gt 20\,000\,\text{Hz}$ $\text{Ultrason — non perçu par l'oreille humaine.}$

2Lecture d'un oscillogramme

a) $T = 5{,}0\,\text{div} \times 2{,}0\,\text{ms/div} = 10{,}0\,\text{ms} =$ $T = 1{,}0 \times 10^{-2}\,\text{s}$

b) $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{1{,}0 \times 10^{-2}} =$ $f = 100\,\text{Hz}$

c) $100\,\text{Hz} \lt 440\,\text{Hz}$ $\text{Ce son est plus grave que le La (440 Hz).}$

3Longueur d'onde

a) $v = \lambda \cdot f$ $\lambda = \dfrac{v}{f}$

b) $\lambda_A = \dfrac{v}{f_A} = \dfrac{340}{340} =$ $\lambda_A = 1{,}0\,\text{m}$

c) $\lambda_B = \dfrac{v}{f_B} = \dfrac{340}{17\,000} = 0{,}020\,\text{m} =$ $\lambda_B = 2{,}0\,\text{cm}$

4Hauteur, intensité et timbre

a) $\text{Hauteur} \leftrightarrow f \quad ; \quad \text{Intensité} \leftrightarrow \text{amplitude}$ $\text{La fréquence détermine la hauteur ; l'amplitude détermine l'intensité.}$

b) $\text{(réponse rédigée)}$ $\text{Le timbre est lié à la forme du signal sonore. Même } f \text{ et même amplitude, la forme de l'oscillogramme diffère selon l'instrument.}$

c) $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{440} =$ $T \approx 2{,}3 \times 10^{-3}\,\text{s}$

5Mesure de distance par écho

a) $\text{(réponse rédigée)}$ $\text{Le son effectue un aller-retour : source} \to \text{falaise} \to \text{source. La distance totale est } 2d_0.$

b) $d = v \times t = 340 \times 0{,}60 =$ $d = 204\,\text{m}$

c) $d_0 = \dfrac{d}{2} = \dfrac{204}{2} =$ $d_0 = 102\,\text{m}$