Émission et perception d'un son

Un son est une vibration mécanique — sa fréquence fixe sa hauteur, son amplitude fixe son intensité.

1 L'idée

Un son est une vibration mécanique produite par une source (corde de guitare, haut-parleur, cordes vocales) qui se propage dans un milieu matériel (air, eau, solide). Le son ne se propage pas dans le vide.

Un oscilloscope affiche l'oscillogramme du son : la tension (proportionnelle à la pression sonore) en fonction du temps. On y lit directement la période $T$ et l'amplitude du signal.

2 Grandeurs caractéristiques

Fréquence / Période

$f = \dfrac{1}{T} \qquad T = \dfrac{1}{f} \qquad (f \text{ en Hz}, \ T \text{ en s})$

Longueur d'onde

$\lambda = \dfrac{v}{f} \qquad (\lambda \text{ en m})$

Célérité dans l'air

$v \approx 340\,\text{m/s} \quad \text{à } 20\,°\text{C}$

Domaines de fréquences

Fréquence élevée → son aigu ; fréquence basse → son grave. L'amplitude détermine l'intensité (fort ou doux), indépendamment de la fréquence.

Infrasons : $f \lt 20\,\text{Hz}$ — inaudibles (séismes, baleine bleue).
Sons audibles : $20\,\text{Hz} \le f \le 20\,000\,\text{Hz}$ — domaine de l'oreille humaine.
Ultrasons : $f \gt 20\,000\,\text{Hz}$ — inaudibles (chauve-souris, échographie).

4 Exploiter un oscillogramme

Exemple : diapason

Base de temps : $1{,}0\,\text{ms/div}$. La période occupe $4{,}0$ divisions sur l'écran.

Période : $T = 4{,}0 \times 1{,}0\,\text{ms} = 4{,}0 \times 10^{-3}\,\text{s}$

Fréquence : $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{4{,}0 \times 10^{-3}} = 250\,\text{Hz}$ — son audible.

Longueur d'onde : $\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{250} = 1{,}36\,\text{m}$

Méthode — lire un oscillogramme

Repérer un motif élémentaire qui se répète : c'est une période.
Compter le nombre de divisions $n$ qu'il occupe sur l'axe du temps.
Calculer : $T = n \times \text{base de temps (s/div)}$.
En déduire : $f = \dfrac{1}{T}$ — vérifier que l'unité est bien le Hz.
Classer le son selon les limites $20\,\text{Hz}$ et $20\,000\,\text{Hz}$.

Erreurs fréquentes

Le son ne se propage pas dans le vide : il lui faut un milieu matériel.
Confondre hauteur (liée à $f$) et intensité (liée à l'amplitude) : ce sont deux grandeurs indépendantes.
Oublier de convertir les millisecondes en secondes avant de calculer $f = 1/T$.
Lire une demi-période au lieu d'une période complète sur l'oscillogramme.