Karamö, le prof virtuelLeçon 8 sur 8
Les vibrations acoustiques
Je sais expliquer comment un son est produit et se propage, calculer sa période, sa fréquence et sa vitesse, et distinguer hauteur, intensité et timbre.
- 55 min
- 5 exercices corrigés
- 2 schémas
- QCM de 5 questions
À la fin de la leçon, tu sauras :
- Expliquer qu'un son est produit par une vibration et qu'il a besoin d'un milieu matériel pour se propager
- Calculer une période, une fréquence, une longueur d'onde et une distance à partir de la vitesse du son
- Distinguer sons audibles, infrasons et ultrasons
- Relier hauteur, intensité et timbre d'un son à ses caractéristiques physiques
Avant de commencer : La relation distance = vitesse × durée ; les puissances de 10 et les conversions d'unités (ms, kHz) ; la notion de mouvement périodique.
1Je découvre
C'est la saison des pluies à Kissidougou. Pendant un mariage, Hawa écoute les musiciens : le joueur de djembé frappe la peau de son tambour, la joueuse de balafon fait sonner les lames de bois, et le griot pince les cordes de sa kora. En posant la main sur la peau du djembé, Hawa sent qu'elle tremble à chaque coup.
Soudain, un éclair illumine le ciel. Hawa compte : « un, deux, trois… six ». Au bout de six secondes, le tonnerre gronde. Son grand-père lui explique : « L'éclair et le tonnerre se produisent en même temps, mais le son voyage bien moins vite que la lumière. »
Hawa remarque aussi que la kora et le balafon peuvent jouer la même note sans qu'on les confonde, que certains sons sont graves et d'autres aigus, et que le haut-parleur du mariage est parfois si fort qu'il fait mal aux oreilles.
Qu'est-ce qu'un son, comment se propage-t-il, et qu'est-ce qui distingue un son d'un autre ?
2Je comprends
1. Un son est produit par une vibration
Tout son a pour origine la vibration d'un objet : la peau du djembé, une lame du balafon, une corde de kora, les cordes vocales quand tu parles, la membrane d'un haut-parleur. Une vibration est un mouvement de va-et-vient rapide autour d'une position d'équilibre.
Ce mouvement est périodique : il se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers.
- La période T est la durée d'une vibration complète (un aller-retour). Elle s'exprime en secondes (s).
- La fréquence f est le nombre de vibrations par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).
f = 1T et T = 1f
- L'amplitude est l'écart maximal par rapport à la position d'équilibre.
Pour visualiser un son, on le capte avec un microphone relié à un oscilloscope : on voit une courbe qui se répète. On lit la période sur l'axe horizontal (en multipliant le nombre de divisions par la sensibilité horizontale, ou base de temps) et l'amplitude sur l'axe vertical.
Exemple
À l'oscilloscope, une période du son occupe 4 divisions ; la base de temps est de 0,5 ms par division.
- Période : T = 4 × 0,5 = 2 ms = 2 × 10⁻³ s.
- Fréquence : f = 1 / T = 1 / (2 × 10⁻³) = 500 Hz.
- Cette fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz : le son est audible.
2. La propagation du son
La vibration de la source se transmet de proche en proche aux particules du milieu (l'air, l'eau, le bois, le métal) : les couches d'air sont successivement comprimées puis dilatées. Le son est une onde mécanique : il transporte de l'énergie, mais pas de matière. Les particules d'air vibrent sur place ; elles ne voyagent pas de la bouche à l'oreille.
Conséquence essentielle : le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager. Il ne se propage pas dans le vide. Si l'on place un réveil qui sonne sous une cloche dont on retire l'air, on l'entend de moins en moins. Dans l'espace, il n'y a pas de son.
La vitesse (ou célérité) du son dépend du milieu :
La lumière, elle, se déplace à environ 3 × 108 m/s : elle nous arrive pratiquement instantanément. C'est pourquoi on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre.
La distance parcourue par le son pendant une durée t vaut d = v × t.
Exemple
Hawa entend le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair. Vitesse du son dans l'air : 340 m/s.
La lumière arrive presque instantanément ; le retard est donc dû au son.
d = v × t = 340 × 6 = 2 040 m, soit environ 2 km.
Astuce : en divisant le nombre de secondes par 3, on obtient à peu près la distance en kilomètres.
3. La longueur d'onde
Pendant une période T, l'onde sonore parcourt une distance appelée longueur d'onde, notée λ (lambda) :
λ = v × T = vf
Par exemple, un son de 340 Hz dans l'air a une longueur d'onde de 340340 = 1 m.
4. Sons audibles, infrasons, ultrasons
L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). Avec l'âge, la limite aiguë baisse.
- En dessous de 20 Hz : les infrasons (produits par les séismes, les orages ; les éléphants les utilisent pour communiquer).
- Au-dessus de 20 kHz : les ultrasons (utilisés par les chauves-souris et les dauphins pour se repérer, par les médecins pour l'échographie, par les bateaux pour mesurer la profondeur avec un sonar).
5. Les trois caractéristiques d'un son
| Caractéristique perçue | Grandeur physique | Ce qu'on entend |
|---|---|---|
| Hauteur | la fréquence | son grave (fréquence basse) ou aigu (fréquence élevée) |
| Intensité (force) | l'amplitude de la vibration | son faible ou fort |
| Timbre | la forme de la courbe (présence d'harmoniques) | ce qui distingue deux instruments jouant la même note |
- Hauteur : une corde de kora courte et tendue vibre plus vite et donne un son plus aigu ; une grande lame de balafon donne un son plus grave qu'une petite.
- Intensité : plus on frappe fort sur le djembé, plus l'amplitude est grande et plus le son est fort. On mesure le niveau sonore en décibels (dB) avec un sonomètre : 0 dB correspond au seuil d'audibilité ; au-delà d'environ 85 dB, une exposition prolongée abîme l'oreille ; vers 120 dB, le son devient douloureux.
- Timbre : un son pur (courbe sinusoïdale) est rare ; les instruments produisent des sons complexes, somme d'un son de base (le fondamental, qui fixe la hauteur) et d'harmoniques (fréquences multiples). La proportion des harmoniques fait le timbre propre de chaque instrument et de chaque voix.
6. L'écho
Quand le son rencontre un obstacle (falaise, mur, fond d'un puits), il se réfléchit et revient : c'est l'écho. Si l'écho revient au bout d'une durée t, le son a fait l'aller et le retour : il a parcouru 2d. Donc :
d = v × t2
L'oreille ne distingue deux sons que s'ils sont séparés d'au moins 0,1 s environ. Pour entendre un écho distinct dans l'air, l'obstacle doit être à au moins 340 × 0,12 = 17 m.
Exemple
Face à une falaise du Fouta-Djallon, Sékou crie et entend l'écho 0,8 s plus tard (v = 340 m/s).
Le son fait l'aller-retour : 2d = v × t = 340 × 0,8 = 272 m.
Distance de la falaise : d = 272 / 2 = 136 m.
Méthode
Pour résoudre un exercice sur le son :
- Je convertis les durées en secondes (1 ms = 10⁻³ s) et les fréquences en hertz (1 kHz = 1 000 Hz).
- Pour un oscillogramme : T = nombre de divisions d'une période × base de temps ; puis f = 1 / T.
- Pour une distance : d = v × t ; s'il s'agit d'un écho, je divise par 2 (aller-retour).
- Pour une longueur d'onde : λ = v / f.
- Je relie les résultats aux sensations : fréquence → hauteur, amplitude → intensité, forme → timbre.
3Je retiens
Je retiens
Un son est produit par la vibration d'un objet ; il se propage dans un milieu matériel, jamais dans le vide.
Période T (s) et fréquence f (Hz) : f = 1 / T.
Vitesse du son : environ 340 m/s dans l'air, 1 500 m/s dans l'eau, plus de 5 000 m/s dans l'acier ; d = v × t.
Longueur d'onde : λ = v × T = v / f.
Sons audibles : de 20 Hz à 20 000 Hz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus.
Hauteur ↔ fréquence ; intensité ↔ amplitude (niveau en dB) ; timbre ↔ forme du signal (harmoniques).
Écho : d = v × t / 2 (aller-retour).
4Erreurs fréquentes
- Oublier de diviser par 2 dans un calcul d'écho : le son fait l'aller et le retour.
- Confondre hauteur et intensité : un son « haut » est aigu (fréquence élevée), pas forcément fort.
- Oublier de convertir les millisecondes en secondes avant de calculer f = 1 / T : 2 ms = 0,002 s.
- Croire que le son se propage dans le vide ou que les particules d'air voyagent avec le son : seule l'énergie se déplace.
5Je m’exerce
1Exercice 1
Questions de cours.
a) Quelle est l'origine de tout son ?
b) Pourquoi les astronautes ne peuvent-ils pas se parler directement dans le vide de l'espace ?
c) Quelle grandeur physique détermine la hauteur d'un son ? son intensité ? son timbre ?
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a) Tout son est produit par la vibration d'un objet (corde, membrane, lame, cordes vocales).
b) Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager. Dans le vide, il n'y a pas de particules à faire vibrer : le son ne passe pas. Les astronautes communiquent par radio (ondes électromagnétiques).
c) Hauteur : la fréquence. Intensité : l'amplitude. Timbre : la forme du signal (les harmoniques).
2Exercice 2
a) Calcule la fréquence d'un son de période 5 ms.
b) Calcule la période du « la » du diapason, de fréquence 440 Hz.
c) Un son a une fréquence de 25 kHz. L'être humain peut-il l'entendre ? Comment l'appelle-t-on ?
d) Calcule la longueur d'onde dans l'air d'un son de fréquence 680 Hz (v = 340 m/s).
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a) T = 5 ms = 5 × 10-3 s ; f = 15 × 10-3 = 200 Hz.
b) T = 1440 ≈ 2,27 × 10-3 s, soit environ 2,27 ms.
c) 25 kHz = 25 000 Hz > 20 000 Hz : l'oreille humaine ne l'entend pas. C'est un ultrason.
d) λ = vf = 340680 = 0,5 m.
3Exercice 3
Pendant un orage, Kadiatou entend le tonnerre 3 s après avoir vu l'éclair. À quelle distance l'éclair s'est-il produit (v = 340 m/s) ?
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La lumière arrive presque instantanément. d = v × t = 340 × 3 = 1 020 m, soit environ 1 km.
4Exercice 4
Un bateau de pêche au large de la Guinée mesure la profondeur de l'eau avec un sonar. L'ultrason émis revient 0,4 s après l'émission. La vitesse du son dans l'eau de mer est d'environ 1 500 m/s.
a) Calcule la profondeur de l'eau.
b) Pourquoi utilise-t-on la vitesse du son dans l'eau et non dans l'air ?
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a) L'ultrason fait l'aller-retour entre le bateau et le fond : 2d = v × t = 1 500 × 0,4 = 600 m, donc d = 300 m.
b) L'ultrason se propage dans l'eau, jusqu'au fond et retour : c'est donc la vitesse du son dans l'eau qu'il faut utiliser.
5Exercice 5
(Type examen) On visualise à l'oscilloscope le son d'une corde de kora. La base de temps est réglée sur 1 ms par division et la sensibilité verticale sur 0,5 V par division. On observe 2 périodes complètes sur 8 divisions horizontales ; l'amplitude du signal occupe 3 divisions verticales.
a) Calcule la période et la fréquence du son.
b) Calcule l'amplitude de la tension observée.
c) Calcule la longueur d'onde du son dans l'air (v = 340 m/s).
d) On pince une corde plus courte : une période occupe maintenant 2 divisions. Calcule la nouvelle fréquence. Le son est-il plus grave ou plus aigu ?
e) On pince la première corde plus fort. Quelle caractéristique du son change ? Laquelle ne change pas ?
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a) 2 périodes occupent 8 divisions, donc 1 période occupe 4 divisions : T = 4 × 1 = 4 ms = 4 × 10-3 s. f = 14 × 10-3 = 250 Hz.
b) Umax = 3 × 0,5 = 1,5 V.
c) λ = vf = 340250 = 1,36 m.
d) T' = 2 × 1 = 2 ms, donc f' = 12 × 10-3 = 500 Hz. La fréquence est plus élevée : le son est plus aigu.
e) En pinçant plus fort, l'amplitude augmente : le son est plus fort (intensité). La fréquence ne change pas : la hauteur reste la même (et le timbre aussi, car c'est le même instrument).
Cherche d’abord seul, sur ton cahier, puis ouvre le corrigé pour comparer.
6Je vérifie
Choisis une réponse pour chaque question : la correction s’affiche aussitôt.
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