Emission et propagation d’un signal sonore

Signal sonore périodique, fréquence et période. Relation entre période et fréquence

Décrire le principe de l’émission d’un signal sonore par la mise en vibration d’un objet.

Mesurer la vitesse d'un signal sonore.

Utiliser une chaine de mesure pour mesurer la période d'un signal sonore.

Enregistrer et caractériser un son.

Un objet (corde, colonne d'air) émet un signal sonore lorsqu'il est mis en vibration. Pour être audible, il faut que ce signal sonore soit amplifié : c'est le rôle de la caisse de résonance. La production d'un signal sonore résulte de deux actions de l'objet, vibrer et émettre.

Exemple : lorsqu'on met la corde de guitare en vibration, la caisse amplifie et émet le son de la guitare.

Un signal sonore est produit par le vibration d'un objet. La présence d'une caisse de résonance amplifie le signal.

Le téléphone ci-dessous est un moyen simple pour communiquer à distance.

• Dans ce téléphone, identifier l’objet mis en vibration et la caisse de résonance.

• Préciser quel est le milieu de propagation du signal sonore.

Lorsqu'un signal sonore est produit, les molécules d'air vibrent et transmettent ce mouvement de proche en proche aux autres molécules d'air. 

Le signal sonore a donc besoin d'un milieu matériel pour se propager : il ne se propage pas dans le vide.

La membrane d'un haut parleur fait vibrer l'air. La vibration se propage de proche en proche jusqu'à nos oreilles.

Un signal sonore ne se propage pas instantanément mais il a une vitesse de propagation.

 La vitesse de propagation d'un son dépend du milieu de propagation et de sa température. Plus le milieu est dense, plus la vitesse de propagation est importante. Ainsi, elle est plus importante dans un solide que dans l'air.

La valeur de la vitesse du son dans l’air à 20°C est de l’ordre de 

340 m.s-1

Un son parcourt une barre d’acier de 60 m de longueur en 12 ms.

• Calculer la vitesse de propagation de ce son dans l’acier, en m · s–1 puis en km · h–1.

• Donner la vitesse de propagation du son dans l’acier si le son est deux fois plus intense.

Un signal périodique est un signal qui se répète identique à lui-même à des intervalles de temps de même durée. 

Un signal sonore est périodique si son enregistrement présente la répétition régulière d'un même motif élémentaire.

La période T d’un signal périodique est la durée du motif élémentaire. Elle s’exprime en seconde (s).

La fréquence f d’un signal périodique est le nombre de fois où ce signal se répète identique à lui même en une seconde. Elle s'exprime en Hertz (Hz).

La fréquence est l'inverse de la période.

 Deux représentations temporelles de signaux sont reproduites ci-dessous.

•  Identifier la représentation temporelle périodique.

• Pour le signal périodique, mesurer la période et calculer la fréquence.

 Théo a enregistré un signal sonore dont la représentation temporelle est donnée ci-dessous.

•  Mesurer la période du signal sonore le plus précisément possible.

• Calculer la fréquence du signal sonore.

• Justifier que Théo puisse entendre ce signal sonore.

Notre oreille n'entend pas tous les sons. Seules les fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz sont audibles par l'homme. Pour des fréquences inférieures à 20 Hz, il s'agit d'infrasons et pour des fréquences supérieures à 20 kHz, on est dans le domaine des ultrasons.

Pour produire la note la de fréquence 440 Hz, la corde de guitare va réaliser 440 vibrations en une seconde.

La hauteur d'un son correspond à la fréquence du signal sonore.

Plus la fréquence d'un signal sonore est élevé, plus le son est aigu.

Plus la fréquence est basse, plus le son est grave.

Une même note jouée par des instruments différents est perçue différemment à l'oreille. Cette différence de perception pour un même son avec la même amplitude et la même fréquence s'appelle le timbre.

Exemple : Une note jouée par un diapason (son pur) ou une clarinette n'a pas la même forme de signal sonore.

Le timbre d'un son dépend de la forme du signal sonore.

L'intensité sonore est reliée à l'amplitude du signal sonore.

Quand on double l'intensité sonore, l'oreille perçoit le son plus fort mais pas deux fois plus fort ! Pour traduire cette notion de perception par l'oreille, on utilise le niveau d'intensité sonore.

Le niveau d'intensité sonore, exprimé en décibels (dB), traduit le niveau sonore perçu par une oreille humaine normale. 

Dans une salle à 20 °C, des ultrasons parcourent la distance qui sépare un émetteur d’un récepteur d’ultrasons en 2,2 ms.

• Rappeler la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air.

• Calculer la distance d entre l’émetteur et le récepteur.

La pyramide maya de Kukulcan au Mexique renvoie un écho particulier qui ressemble au cri d’un oiseau. Un touriste se trouve à une distance d de la pyramide et entend l’écho 30 ms après avoir claqué dans ses mains.

• Identifier la distance parcourue par le son.

• Calculer la distance qui sépare le touriste de la pyramide.

Pour évaluer la qualité d’un mur de béton, et donc sa solidité, un ingénieur cherche à savoir quelle proportion de bulles d’air il contient. Pour cela, il mesure la vitesse d’une onde sonore qui se propage à travers l’échantillon de béton étudié.

• Indiquer sur quelle propriété du son est basée cette analyse de qualité.

• Sachant que, dans un béton de qualité satisfaisante, la vitesse de propagation du son est égale à environ 3 100 m · s–1, expliquer comment l’ingénieur peut identifier la présence de bulles d’air dans le béton analysé.

À l’aide d’un dispositif d’acquisition, deux signaux sonores ont été enregistrés en utilisant les mêmes réglages d’acquisition.

• Comparer le timbre des deux sons.

• Comparer la hauteur des deux sons.

• Identifier le son le plus intense.

• S’agit-il du même instrument de musique ?