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Physique-chimie, Seconde • Exercices corrigés à Montréal

Fiche de révision : émission et perception d'un son (Seconde)

Cette fiche ne refait pas le cours sur le son : vous l'avez déjà dans votre classeur. Elle traite ce que le cours ne dit jamais et qui décide pourtant de la note, l'erreur exacte qui coûte deux points sur une copie, le raisonnement à tenir sur une échelle de décibels, et la rédaction que le correcteur de Seconde attend mot pour mot.

Elle est écrite pour les élèves de Seconde du programme français à Montréal, en particulier au Lycée Marie de France et au Collège Stanislas. Une fois la fiche lue, la série d'exercices corrigés du même chapitre met chaque réflexe à l'épreuve.

Le fil du chapitre

Un son porte deux informations indépendantes : sa HAUTEUR, qui est la fréquence du fondamental, et son TIMBRE, qui est la forme du motif. Les points se perdent quand on confond ces deux là avec l'intensité, et quand on manipule les décibels comme des nombres ordinaires alors que leur échelle est logarithmique.

Ce chapitre fait partie de Physique-chimie en Seconde

Avant ce chapitre

Cette fiche suppose ces notions acquises. Si une méthode ci-dessous reste opaque, c'est presque toujours l'une d'elles qui manque, pas la fiche.

Remonter plus loin : la chaîne complète (2 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Mouvement et vitesseSixième
  2. 2Les signaux sonoresQuatrième

L'essentiel

Un son est une onde mécanique, et cela a des conséquences

  • • Il lui faut un MILIEU MATÉRIEL : dans le vide, aucun son ne se propage, quelle que soit la puissance de la source.
  • • Célérité dans l'air à 20 ∘C20\ ^{\circ}\mathrm{C} : v=343 m/sv=343\ \mathrm{m/s}, souvent arrondie à 340 m/s340\ \mathrm{m/s}. Elle dépend de la température : v=331+0,60 θv=331+0{,}60\,\theta.
  • • Elle augmente avec la densité du milieu : 340 m/s340\ \mathrm{m/s} dans l'air, 1500 m/s1500\ \mathrm{m/s} dans l'eau, environ 5000 m/s5000\ \mathrm{m/s} dans l'acier.
  • • L'air vibre SUR PLACE : c'est la perturbation qui avance, pas la matière. Rien ne voyage de la source à l'oreille, sinon de l'énergie et de l'information.

Question de cours classique : « pourquoi n'entend-on pas les explosions dans l'espace ? ». La réponse tient en trois mots, il n'y a pas de matière.

Hauteur et timbre : deux informations indépendantes

  • • HAUTEUR : la fréquence du fondamental. Grave veut dire fréquence basse, aigu veut dire fréquence haute. Rien à voir avec le volume.
  • • TIMBRE : la FORME du motif, c'est-à-dire la répartition des harmoniques, ces fréquences multiples entières du fondamental.
  • • Deux instruments jouant la même note produisent des signaux de MÊME PÉRIODE et de formes différentes.
  • • INTENSITÉ : l'énergie transportée, donc le volume perçu. Elle se mesure en W/m2\mathrm{W/m^{2}}, et son niveau en décibels.
T = 4 msmême période, même hauteurdiapasonguitare
Les deux signaux se répètent exactement au même rythme, donc ils ont la même hauteur : c'est la même note. Seule la FORME du motif change, et c'est elle qu'on appelle le timbre.

Trois mots, trois grandeurs : hauteur pour la fréquence, timbre pour la forme, intensité pour le volume. Les énoncés les mélangent volontairement dans les questions à corriger.

L'échelle des décibels ne s'additionne pas

  • • L=10log⁡II0L=10\log\dfrac{I}{I_0}, avec I0=1,0×10−12 W/m2I_0=1{,}0\times 10^{-12}\ \mathrm{W/m^{2}}, le seuil d'audibilité, qui correspond à L=0 dBL=0\ \mathrm{dB}.
  • • Multiplier l'intensité par 1010 ajoute 10 dB10\ \mathrm{dB}. La multiplier par 22 ajoute 3 dB3\ \mathrm{dB}. La diviser par 22 retire 3 dB3\ \mathrm{dB}.
  • • Deux sources identiques ne font donc pas le double de décibels : elles en ajoutent 33.
  • • Repères à connaître : 0 dB0\ \mathrm{dB} le seuil d'audition, 30 dB30\ \mathrm{dB} une chambre calme, 60 dB60\ \mathrm{dB} une conversation, 85 dB85\ \mathrm{dB} le seuil de risque, 120 dB120\ \mathrm{dB} le seuil de douleur.

Un protecteur auditif « qui atténue de 25 dB25\ \mathrm{dB} » se SOUSTRAIT bien du niveau, lui, parce que c'est une variation et non un niveau : 104−25=79 dB104-25=79\ \mathrm{dB}.

S'éloigner de la source, en décibels

  • • Loin d'une source ponctuelle, l'intensité se répartit sur une sphère : elle varie en 1d2\dfrac{1}{d^{2}}.
  • • Doubler la distance divise donc l'intensité par 44, ce qui RETIRE 6 dB6\ \mathrm{dB} au niveau sonore.
  • • Multiplier la distance par 1010 divise l'intensité par 100100, ce qui retire 20 dB20\ \mathrm{dB}.
  • • On raisonne toujours par doublements successifs : chaque fois qu'on double, on enlève 66.

Une durée de propagation se calcule à part, par d=v Δtd=v\,\Delta t. Se demander à chaque fois si le son fait un aller simple ou un aller-retour.

Les pièges qui coûtent des points

Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.

1. Confondre la hauteur et l'intensité

1 à 2 points, à chaque question de vocabulaire

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le son est très aigu, donc il est très fort. »

Ce qu'il faut écrire

« La hauteur est la fréquence, l'intensité est l'énergie transportée : un son grave peut être assourdissant, un son aigu peut être à peine audible. »

Pourquoi : Ce sont deux propriétés indépendantes du signal, la première lue sur la période, la seconde sur l'amplitude. Un exercice qui fait varier l'une sans l'autre est une question de cours déguisée, et elle est posée à presque tous les contrôles.

2. Prendre une différence de timbre pour une différence de note

2 points, et la question sur les harmoniques

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Les deux oscillogrammes n'ont pas la même forme, les deux instruments ne jouent donc pas la même note. »

Ce qu'il faut écrire

« Les deux motifs ont la même PÉRIODE, donc la même fréquence, donc la même hauteur : c'est la même note. Les formes différentes traduisent des timbres différents. »

Pourquoi : La hauteur ne dépend que de la période du motif, jamais de ce qui se passe à l'intérieur. Les harmoniques ajoutent du relief au signal sans changer le rythme auquel il se répète, et c'est précisément ce qui permet de reconnaître un instrument.

3. Additionner des niveaux sonores

2 points, et une conclusion absurde sur la dangerosité

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Deux violons de 70 dB70\ \mathrm{dB} chacun donnent 140 dB140\ \mathrm{dB}. »

Ce qu'il faut écrire

« Les INTENSITÉS s'additionnent, donc elles doublent : le niveau augmente de 3 dB3\ \mathrm{dB} et vaut 73 dB73\ \mathrm{dB}. »

0 dB30 dB60 dB85 dB120 dBseuil d'auditionchambre calmeconversationseuil de risqueseuil de douleur+10 dB : intensité x 10
L'échelle n'est pas proportionnelle : chaque tranche de 10 dB10\ \mathrm{dB} multiplie l'intensité par 1010. Ainsi 120 dB120\ \mathrm{dB} n'est pas le double de 6060, c'est un million de fois plus d'énergie.

Pourquoi : Le décibel est une échelle logarithmique construite sur des rapports d'intensité. Additionner deux niveaux reviendrait à multiplier les intensités entre elles, ce qui ne correspond à aucune situation physique. Et 140 dB140\ \mathrm{dB} dépasse le seuil de douleur, ce qui aurait dû alerter.

4. Croire que doubler la distance divise le niveau par deux

2 points, et toute la question sur la distance de sécurité

Ce qu'il ne faut pas écrire

« À 1,0 m1{,}0\ \mathrm{m} le niveau vaut 80 dB80\ \mathrm{dB}, donc à 2,0 m2{,}0\ \mathrm{m} il vaut 40 dB40\ \mathrm{dB}. »

Ce qu'il faut écrire

« Doubler la distance divise l'intensité par 44, ce qui retire 6 dB6\ \mathrm{dB} : le niveau vaut 80−6=74 dB80-6=74\ \mathrm{dB}. »

-224681012141618505560657075808590chaque doublement : -6 dBL (dB)d (m)
Les points marqués sont à 11, 22, 44, 88 et 16 m16\ \mathrm{m} : à chaque doublement de la distance, le niveau perd exactement 6 dB6\ \mathrm{dB}. La courbe s'aplatit, ce qui explique qu'on entende encore très loin.

Pourquoi : Le décibel n'est pas proportionnel à l'intensité, donc encore moins à la distance. On raisonne par doublements successifs, chacun coûtant exactement 6 dB6\ \mathrm{dB}, ce qui explique qu'un concert reste bruyant très loin de la scène.

5. Inverser ff et TT sans convertir en secondes

2 points, avec un facteur $1000$ d'erreur

Ce qu'il ne faut pas écrire

« T=4,0 msT=4{,}0\ \mathrm{ms}, donc f=14,0=0,25 Hzf=\dfrac{1}{4{,}0}=0{,}25\ \mathrm{Hz}. »

Ce qu'il faut écrire

« T=4,0 ms=4,0×10−3 sT=4{,}0\ \mathrm{ms}=4{,}0\times 10^{-3}\ \mathrm{s}, donc f=14,0×10−3=250 Hzf=\dfrac{1}{4{,}0\times 10^{-3}}=250\ \mathrm{Hz}. »

Pourquoi : Le hertz est l'inverse d'une SECONDE. Le contrôle est immédiat : un son audible a une fréquence comprise entre 2020 et 20 000 Hz20\,000\ \mathrm{Hz}, donc 0,25 Hz0{,}25\ \mathrm{Hz} ne peut pas être un son.

6. Utiliser 340 m/s340\ \mathrm{m/s} alors que l'énoncé donne une température

1 point, celui de la célérité justifiée

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Le son se propage à 340 m/s340\ \mathrm{m/s}, donc l'obstacle est à 340×Δt340\times\Delta t. »

Ce qu'il faut écrire

« À θ=5 ∘C\theta=5\ ^{\circ}\mathrm{C}, v=331+0,60×5=334 m/sv=331+0{,}60\times 5=334\ \mathrm{m/s} : c'est cette valeur qu'il faut utiliser. »

Pourquoi : Quand l'énoncé fournit une relation et une température, il attend le calcul, pas la valeur mémorisée. La différence numérique est petite, mais le point porte sur la démarche, pas sur le résultat.

7. Croire que le son ralentit dans un milieu plus dense

1 point, et l'ordre de grandeur de tout l'exercice

Ce qu'il ne faut pas écrire

« L'eau est plus dense que l'air, le son y va donc moins vite. »

Ce qu'il faut écrire

« Le son va PLUS vite dans l'eau, 1500 m/s1500\ \mathrm{m/s}, et encore plus vite dans l'acier, environ 5000 m/s5000\ \mathrm{m/s}. »

Pourquoi : Le son se transmet de proche en proche entre particules : plus elles sont liées, plus vite la perturbation passe. C'est l'inverse de l'intuition tirée de la nage, où l'on avance moins vite dans l'eau que dans l'air.

8. Faire propager un son dans le vide

1 point de cours, très souvent posé

Ce qu'il ne faut pas écrire

« La sonde envoie un signal sonore vers la Terre depuis l'espace. »

Ce qu'il faut écrire

« Un son est une onde MÉCANIQUE : il lui faut de la matière. Dans le vide spatial, seules les ondes électromagnétiques, radio ou lumière, se propagent. »

Pourquoi : C'est la propriété qui distingue le son de la lumière et qui justifie tout le vocabulaire d'onde mécanique. Elle est demandée sous forme de situation concrète, films d'espace compris, pour vérifier qu'elle a été comprise et pas seulement récitée.

9. Confondre une variation en décibels et un niveau en décibels

2 points

Ce qu'il ne faut pas écrire

« Un casque atténue de 25 dB25\ \mathrm{dB}, donc il ramène tout à 25 dB25\ \mathrm{dB}. »

Ce qu'il faut écrire

« 25 dB25\ \mathrm{dB} est une ATTÉNUATION, donc une soustraction : un niveau de 104 dB104\ \mathrm{dB} devient 104−25=79 dB104-25=79\ \mathrm{dB}. »

Pourquoi : Une variation de décibels s'additionne ou se soustrait, alors que deux niveaux ne s'additionnent jamais. La distinction tient au fait qu'une variation représente un RAPPORT d'intensités, et que les rapports, eux, se multiplient.

Quelle méthode choisir

Quelle grandeur décrit quoi

Les énoncés jouent sur trois mots qui désignent trois grandeurs différentes. Le mot employé dans la question désigne la grandeur à lire, et l'endroit du graphique où la lire.

  • Si l'énoncé parle de grave, d'aigu, de note ou de hauteur → on lit la PÉRIODE du motif sur l'oscillogramme, puis f=1Tf=\dfrac{1}{T}

    Exemple : T=8,0 msT=8{,}0\ \mathrm{ms} donne f=125 Hzf=125\ \mathrm{Hz}, un son grave

  • Si l'énoncé parle de fort, de faible, de volume ou de niveau sonore → on regarde l'AMPLITUDE du signal, et on raisonne en décibels

    Une amplitude double ne fait pas un niveau double : elle multiplie l'intensité, qui se traduit en décibels.

  • Si l'énoncé parle de reconnaître un instrument, de timbre ou d'harmoniques → on regarde la FORME du motif, à période constante, ou le spectre en fréquences

    Exemple : deux signaux de même période et de formes différentes

  • Si l'énoncé donne un spectre avec des raies → la première raie est le FONDAMENTAL, il donne la hauteur; les suivantes sont les harmoniques, multiples entiers, et donnent le timbre

    Une raie à 250 Hz250\ \mathrm{Hz} suivie de raies à 500500 et 750 Hz750\ \mathrm{Hz} décrit un son de hauteur 250 Hz250\ \mathrm{Hz}.

  • Si l'énoncé donne une durée entre l'émission et la réception → on calcule une distance par d=v Δtd=v\,\Delta t, ou d=v Δt2d=\dfrac{v\,\Delta t}{2} pour un écho

    Cette question n'a rien à voir avec la hauteur ni avec le niveau : c'est de la propagation.

Si la question demande de comparer deux sons, précisez toujours SUR QUOI porte la comparaison : même hauteur, timbres différents, ou même timbre, intensités différentes.

Que faire des décibels, selon la situation

Les décibels ne se manipulent que de quatre façons au programme de Seconde, et l'énoncé désigne laquelle par le verbe qu'il emploie.

  • Si on ajoute une source identique, ou on double l'intensité → on AJOUTE 3 dB3\ \mathrm{dB}

    Exemple : deux violons de 70 dB70\ \mathrm{dB} donnent 73 dB73\ \mathrm{dB}

  • Si on multiplie l'intensité par 1010, ou par 100100 → on ajoute 10 dB10\ \mathrm{dB}, ou 20 dB20\ \mathrm{dB}

    C'est la lecture directe de la définition L=10log⁡II0L=10\log\frac{I}{I_0}.

  • Si on double la distance à la source → on RETIRE 6 dB6\ \mathrm{dB}, car l'intensité est divisée par quatre

    Exemple : de 2,02{,}0 à 16 m16\ \mathrm{m}, il y a trois doublements, donc 18 dB18\ \mathrm{dB} de moins

  • Si l'énoncé donne une atténuation, un casque, un mur antibruit, un bouchon → on SOUSTRAIT cette valeur au niveau, car c'est une variation et non un niveau

    Exemple : 104 dB104\ \mathrm{dB} avec un casque à −25 dB-25\ \mathrm{dB} donnent 79 dB79\ \mathrm{dB}

  • Si l'énoncé donne une intensité en W/m2\mathrm{W/m^{2}} et demande le niveau → on applique L=10log⁡II0L=10\log\dfrac{I}{I_0} avec I0=1,0×10−12 W/m2I_0=1{,}0\times 10^{-12}\ \mathrm{W/m^{2}}

    Le rapport est sans unité : les W/m2\mathrm{W/m^{2}} doivent se simplifier avant le logarithme.

Deux niveaux ne s'additionnent jamais. Deux VARIATIONS, elles, s'additionnent : un doublement de distance suivi d'un casque font −6−25=−31 dB-6-25=-31\ \mathrm{dB}.

La rédaction attendue

Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.

Exploiter un oscillogramme, rédigé pour le correcteur

Quand l'utiliser : L'énoncé fournit un enregistrement et demande la période, la fréquence, la hauteur ou une comparaison entre deux sons.

  1. 1 Lire la durée d'un nombre ENTIER de motifs complets, en donnant ce nombre : « 55 motifs occupent 20 ms20\ \mathrm{ms}. »
  2. 2 En déduire la période par division, avec son unité : « T=205=4,0 msT=\dfrac{20}{5}=4{,}0\ \mathrm{ms}. »
  3. 3 Convertir en secondes AVANT d'inverser : « T=4,0×10−3 sT=4{,}0\times 10^{-3}\ \mathrm{s}. »
  4. 4 Calculer la fréquence et l'exprimer en hertz : « f=1T=250 Hzf=\dfrac{1}{T}=250\ \mathrm{Hz}. »
  5. 5 Conclure sur la hauteur en situant la fréquence : grave sous 500 Hz500\ \mathrm{Hz}, aigu au-dessus de quelques kilohertz, et audible entre 2020 et 20 000 Hz20\,000\ \mathrm{Hz}.

Phrase de conclusion

Cinq motifs complets occupent 20 ms20\ \mathrm{ms}, donc T=4,0 ms=4,0×10−3 sT=4{,}0\ \mathrm{ms}=4{,}0\times 10^{-3}\ \mathrm{s} et f=1T=250 Hzf=\dfrac{1}{T}=250\ \mathrm{Hz}. Cette fréquence appartient au domaine audible et correspond à un son plutôt grave.

Le piège : Mesurer sur un seul motif. La précision de lecture est alors cinq fois moins bonne, et surtout le risque de prendre une demi-période pour une période est maximal : la copie perd le point et le facteur 22 passe inaperçu.

Barème : En général 1 point pour le nombre de motifs annoncé, 1 point pour la période avec son unité, 1 point pour la conversion et le calcul de ff, 1 point pour la conclusion sur la hauteur.

Rédiger un raisonnement en décibels

Quand l'utiliser : L'énoncé demande le niveau sonore après un changement de distance, l'ajout d'une source ou la pose d'une protection.

  1. 1 Repérer ce qui change et l'exprimer comme un RAPPORT d'intensités, jamais comme une différence de niveaux.
  2. 2 Convertir ce rapport en variation de décibels avec les deux règles : ×2\times 2 donne +3+3, ×10\times 10 donne +10+10.
  3. 3 Compter les doublements successifs quand la distance change, et multiplier par 66.
  4. 4 Additionner ou soustraire cette variation au niveau de départ, en écrivant l'opération.
  5. 5 Conclure en situant le résultat par rapport aux repères, notamment le seuil de risque de 85 dB85\ \mathrm{dB}.

Phrase de conclusion

Passer de 2,02{,}0 à 16 m16\ \mathrm{m} revient à doubler trois fois la distance, ce qui retire 3×6=18 dB3\times 6=18\ \mathrm{dB} : le niveau tombe de 104104 à 86 dB86\ \mathrm{dB}, ce qui reste au-dessus du seuil de risque.

Le piège : Écrire une division du niveau, du type 1048\frac{104}{8}. Le niveau n'est pas proportionnel à l'intensité : seule la variation en décibels a un sens, et elle s'ajoute ou se retranche.

Barème : 1 point pour le rapport d'intensités identifié, 1 point pour la variation en décibels, 1 point pour l'opération finale, 1 point pour la comparaison aux repères.

Vérifier avant de rendre

Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.

L'exercice type décortiqué

Le concert et le niveau sonore, comme au contrôle

Devant une scène, à d1=2,0 md_1=2{,}0\ \mathrm{m} d'une enceinte, un sonomètre affiche L1=104 dBL_1=104\ \mathrm{dB}.

1. Comparer ce niveau au seuil de risque, fixé à 85 dB85\ \mathrm{dB}, et au seuil de douleur, fixé à 120 dB120\ \mathrm{dB}.

2. À quelle distance de l'enceinte le niveau tombe-t-il à 86 dB86\ \mathrm{dB} ?

3. Un bouchon d'oreille atténue le son de 25 dB25\ \mathrm{dB}. Quel niveau perçoit-on avec ce bouchon, à 2,0 m2{,}0\ \mathrm{m} de l'enceinte ?

4. L'oscillogramme du la de la basse montre 44 motifs complets en 32 ms32\ \mathrm{ms}. Calculer la période, la fréquence, et dire si le son est grave ou aigu.

Étape 1

104 dB104\ \mathrm{dB} dépasse largement le seuil de risque de 85 dB85\ \mathrm{dB}, sans atteindre le seuil de douleur de 120 dB120\ \mathrm{dB} : l'exposition prolongée est dangereuse pour l'audition.

Pourquoi

La comparaison se rédige avec les deux repères, pas avec un seul. La question porte sur un risque sanitaire, donc la conclusion doit être une phrase, pas un nombre.

Étape 2

Il faut perdre 104−86=18 dB104-86=18\ \mathrm{dB}. Chaque doublement de distance retire 6 dB6\ \mathrm{dB}, donc il faut 186=3\dfrac{18}{6}=3 doublements.

Pourquoi

On convertit d'abord la perte demandée en NOMBRE DE DOUBLEMENTS. Ce détour évite complètement la formule logarithmique, qui n'est pas exigible en Seconde.

Étape 3

Trois doublements à partir de 2,0 m2{,}0\ \mathrm{m} : 2,0×23=2,0×8=16 m2{,}0\times 2^{3}=2{,}0\times 8=16\ \mathrm{m}.

Pourquoi

Chaque doublement MULTIPLIE la distance par deux, il ne lui ajoute pas deux mètres. Trois doublements font donc un facteur huit, et non un facteur six.

Étape 4

Le bouchon apporte une atténuation, donc une soustraction : 104−25=79 dB104-25=79\ \mathrm{dB}, ce qui repasse sous le seuil de risque.

Pourquoi

Une atténuation est une variation, et les variations se retranchent. C'est ce qui la distingue d'un niveau, qui ne se combine jamais par une simple opération.

Étape 5

T=324=8,0 ms=8,0×10−3 sT=\dfrac{32}{4}=8{,}0\ \mathrm{ms}=8{,}0\times 10^{-3}\ \mathrm{s}, donc f=1T=125 Hzf=\dfrac{1}{T}=125\ \mathrm{Hz}.

Pourquoi

On divise par le nombre de motifs, puis on convertit en secondes avant d'inverser. L'ordre de ces deux gestes est ce qui sépare une copie juste d'une copie fausse d'un facteur mille.

Étape 6

125 Hz125\ \mathrm{Hz} appartient au domaine audible, entre 2020 et 20 000 Hz20\,000\ \mathrm{Hz}, et se situe dans le bas de ce domaine : le son est GRAVE, ce qui est cohérent avec une basse.

Pourquoi

La conclusion nomme la hauteur et la justifie par la position de la fréquence dans le domaine audible. C'est le point de la question, pas le calcul.

Étape 7

Vérification : 2,0×2×2×2=16 m2{,}0\times 2\times 2\times 2=16\ \mathrm{m}, et 104−6−6−6=86 dB104-6-6-6=86\ \mathrm{dB}, ce qui redonne bien l'énoncé.

Pourquoi

On refait le chemin dans l'autre sens, doublement par doublement. Cela contrôle à la fois le nombre de doublements et le fait qu'ils multiplient la distance.

Conclusion rédigée

Le niveau de 104 dB104\ \mathrm{dB} dépasse le seuil de risque; il faut s'éloigner à 16 m16\ \mathrm{m} pour descendre à 86 dB86\ \mathrm{dB}, ou porter un bouchon qui ramène le niveau perçu à 79 dB79\ \mathrm{dB}. Le la de la basse a une période de 8,0 ms8{,}0\ \mathrm{ms}, une fréquence de 125 Hz125\ \mathrm{Hz}, et c'est donc un son grave.

L'erreur classique sur cet exercice : Répondre 8,0 m8{,}0\ \mathrm{m} à la question de la distance, en ajoutant trois fois deux mètres au lieu de doubler trois fois. Le nombre reste plausible, et seule la vérification par doublements successifs le corrige.

À savoir par cœur

  • • Un son est une onde MÉCANIQUE : pas de matière, pas de son. Célérité 340 m/s340\ \mathrm{m/s} dans l'air, 15001500 dans l'eau, environ 50005000 dans l'acier.
  • • v=331+0,60 θv=331+0{,}60\,\theta dans l'air, avec θ\theta en degrés Celsius.
  • • Hauteur = fréquence du fondamental. Timbre = forme du motif, donc harmoniques. Intensité = énergie, donc volume. Trois grandeurs indépendantes.
  • • f=1Tf=\dfrac{1}{T}, avec TT en SECONDES. Domaine audible : de 2020 à 20 000 Hz20\,000\ \mathrm{Hz}.
  • • Décibels : ×2\times 2 sur l'intensité donne +3 dB+3\ \mathrm{dB}, ×10\times 10 donne +10 dB+10\ \mathrm{dB}. Deux niveaux ne s'additionnent jamais.
  • • Doubler la distance retire 6 dB6\ \mathrm{dB}, parce que l'intensité varie en 1d2\dfrac{1}{d^{2}}.
  • • Une atténuation en décibels se SOUSTRAIT du niveau; un niveau ne s'ajoute pas à un autre niveau.

Questions fréquentes

Quelle différence entre la hauteur et l'intensité d'un son ?

La hauteur est la fréquence : elle dit si le son est grave ou aigu. L'intensité est l'énergie transportée : elle dit si le son est fort ou faible, et se mesure en décibels. Les deux sont indépendantes, un son grave peut être assourdissant et un son aigu à peine audible.

Pourquoi deux instruments jouant la même note ne sonnent-ils pas pareil ?

Parce qu'ils ont des timbres différents. Leurs signaux se répètent à la même période, donc ils ont la même hauteur, mais la forme du motif change : chaque instrument ajoute au fondamental ses propres harmoniques, des fréquences multiples entières. C'est cette répartition qui permet de le reconnaître.

Deux sources de soixante décibels font-elles cent vingt décibels ?

Non. Ce sont les intensités sonores qui s'additionnent, pas les niveaux. Deux sources identiques doublent l'intensité, ce qui ajoute seulement trois décibels : le résultat est soixante-trois décibels. L'échelle des décibels est logarithmique, elle ne s'additionne jamais directement.

De combien baisse le niveau sonore quand on s'éloigne ?

Chaque fois que l'on double la distance à la source, le niveau perd six décibels, parce que l'intensité varie comme l'inverse du carré de la distance. Passer de deux à seize mètres représente trois doublements, donc dix-huit décibels de moins. Ce n'est jamais une division du niveau.

Pourquoi le son ne se propage-t-il pas dans le vide ?

Parce que c'est une onde mécanique : elle a besoin de particules de matière qui vibrent de proche en proche pour transmettre la perturbation. Dans le vide, il n'y a rien à faire vibrer. Seules les ondes électromagnétiques, comme la lumière ou les ondes radio, peuvent s'y propager.

Passer à la pratique

Exercices corrigés : Émission et perception d'un son

Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.

  • 15 exercices corrigés
  • 150 points
  • 225 minutes
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Fiche précédente Ondes et signaux Fiche suivante Vision et image : lentilles et réfraction

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Son et musique, porteurs d'informationPremière, Enseignement scientifique

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Contactez-moi pour une première séance. On reprend les gestes du chapitre qui coûtent des points, de la lecture d'un oscillogramme jusqu'au raisonnement en décibels, puis on les met à l'épreuve sur des exercices du niveau réel des contrôles au Lycée Marie de France et au Collège Stanislas.

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