CH3 — Les sons
Seconde physique-chimie • Ondes mécaniques • Propagation • Fréquence • Période • Longueur d’onde • Sons purs et sons composés
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🔴 Méthode obligatoire pour les corrections d’exercices
Dans les exercices, on ne retient pas des formules transformées “par cœur”. On part toujours de la formule du cours, puis on fait le travail littéral avant l’application numérique.
Formule du cours :
On veut isoler t. On multiplie d’abord par t :
Puis on divise par v :
Seulement après, on remplace par les valeurs numériques.
Objectifs du chapitre
Ce chapitre reprend les scans du cahier sur les sons : vocabulaire, propagation, vitesse du son, production d’un son, GBF et oscilloscope, amplitude, période, fréquence, longueur d’onde, sons purs, sons composés, hauteur, timbre, domaine audible et niveau sonore. La structure s’inspire aussi du devoir fourni pour proposer des exercices guidés et progressifs.
Je dois savoir définir
Onde : perturbation qui se propage sans transport de matière ; onde mécanique ; son ; fréquence ; période ; longueur d’onde ; son pur ; son composé ; timbre.
Je dois savoir calculer
v = d/t, f = 1/T, λ = c/f et convertir ms, µs, kHz, m, cm.
Je dois savoir analyser
Un signal, un spectre sonore, un domaine de fréquences et une situation de propagation.
Repère programme de seconde :
Le programme de seconde demande d’exploiter la relation entre distance, durée de propagation et vitesse, de caractériser un signal sonore périodique par sa période et sa fréquence, et de relier fréquence et perception d’un son.
I. Vocabulaire : onde et son
Les sons font partie de la famille des ondes mécaniques, appelées aussi ondes acoustiques.
Une onde est une perturbation qui se propage sans transport de matière.
Une onde mécanique est une perturbation qui se propage dans un milieu de matière.
Définition à retenir exactement :
Une onde est une perturbation qui se propage sans transport de matière.
Exemples de milieux matériels : air, eau, bois, acier, béton, roche.
Deux grandes familles d’ondes :
- ondes mécaniques : besoin d’un milieu matériel, exemple : son, séisme, houle ;
- ondes électromagnétiques : peuvent se propager dans le vide, exemple : lumière, ondes radio.
II. Propagation d’un son
Le son est une surface qui se propage de proche en proche.
Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Célérité du son
La célérité est la vitesse de propagation d’une onde dans un milieu.
- v : célérité du son en m·s⁻¹ ;
- d : distance parcourue par l’onde en m ;
- t : durée de propagation en s.
Air
Valeur approchée :
Eau
Le son s’y propage plus vite que dans l’air.
Métaux
Le son s’y propage encore plus vite.
Plus le matériau est dense et rigide, plus la célérité est souvent élevée.
Exercice type — Mesurer la vitesse du son avec un retard
Deux micros sont séparés d’une distance d = 14,0 × 10⁻² m. On mesure un retard de propagation t = 456 × 10⁻⁶ s. Calculer la vitesse du son.
Formule du cours :
On cherche v : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
v = 14,0 × 10⁻² / 456 × 10⁻⁶
v = 307 m·s⁻¹
La valeur est du même ordre de grandeur que la vitesse du son dans l’air.
Exercice contextualisé — Écho entre deux falaises à Futuna
Un élève crie face à une falaise et entend l’écho 1,8 s plus tard. On prend v = 340 m·s⁻¹. À quelle distance se trouve la falaise ?
Attention : le son fait l’aller-retour.
Formule du cours :
On veut isoler d. On multiplie par t :
Donc :
Application numérique :
daller-retour = 340 × 1,8 = 612 m
dfalaise = 306 m
III. Générer et observer un son
Pour générer un son, il faut un élément vibrant et une caisse de résonance ou un haut-parleur.
Instruments
- Instrument à vent : la note dépend notamment de la longueur de la colonne d’air.
- Instrument à corde : la note dépend de la longueur, de la tension et de la masse linéique de la corde.
- Haut-parleur : un signal électrique fait vibrer une membrane.
Un GBF, générateur basse fréquence, peut créer un signal électrique périodique envoyé à un haut-parleur.
À l’oscilloscope :
Le microphone transforme le son en signal électrique. L’oscilloscope permet d’observer la variation de la tension au cours du temps.
IV. Signal sonore : amplitude, période, fréquence
Amplitude : valeur maximale du signal. Pour une tension, elle se note souvent Umax.
Période T : durée d’un motif élémentaire qui se répète.
Fréquence f : nombre de motifs par seconde. Elle s’exprime en hertz, Hz.
Attention : T doit être en seconde pour obtenir f en hertz.
La période se mesure entre deux points identiques successifs du signal, par exemple entre deux maximums. Pour augmenter la précision, on mesure 5, 6 ou 10 périodes lorsque c’est possible, puis on divise par le nombre de périodes.
Astuce de mesure importante :
Pour mesurer une période avec précision, on évite de mesurer une seule période si le graphique le permet. On mesure plutôt 5, 6 ou 10 périodes, puis on divise la durée totale par le nombre de périodes.
Exercice type — Signal de fréquence proche du la
On observe deux périodes d’un signal sur une durée de 2,28 ms. Déterminer la période puis la fréquence.
1. Mesurer la période :
2 périodes correspondent à 2,28 ms, donc :
T = 2,28 / 2 = 1,14 ms
Conversion :
T = 1,14 × 10⁻³ s
Formule du cours :
On cherche f : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
f = 1 / 1,14 × 10⁻³
f ≈ 877 Hz
Exercice inspiré devoir surveillé — Oscilloscope
Réglages de l’oscilloscope : sensibilité verticale = 1 V/division ; base de temps = 1 ms/division. Sur l’écran, l’amplitude vaut 2 divisions et une période vaut 4 divisions.
- Déterminer l’amplitude du signal.
- Déterminer la période et la convertir en seconde.
- Calculer la fréquence.
Correction :
Amplitude : Umax = 2 × 1 = 2 V
T = 4 × 1 ms = 4 ms = 4 × 10⁻³ s
Formule du cours :
On cherche f : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
f = 1 / 4 × 10⁻³
f = 250 Hz
V. Longueur d’onde
La longueur d’onde λ est la distance parcourue par l’onde pendant une période.
- λ : longueur d’onde en m ;
- c : célérité de l’onde en m·s⁻¹ ;
- T : période en s ;
- f : fréquence en Hz.
Exercice type — Longueur d’onde d’un son de 350 Hz
Calculer la longueur d’onde d’un son de fréquence f = 350 Hz dans l’air. On prend c = 340 m·s⁻¹.
Formule du cours :
On cherche λ : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
λ = 340 / 350
λ = 0,97 m
Exercice type — Ultrasons médicaux
Un échographe utilise des ultrasons de fréquence f = 4,0 MHz. Dans les tissus, la célérité du son vaut environ c = 1540 m·s⁻¹. Calculer la longueur d’onde.
Conversion :
f = 4,0 MHz = 4,0 × 10⁶ Hz
Formule du cours :
On cherche λ : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
λ = 1540 / 4,0 × 10⁶
λ = 3,85 × 10⁻⁴ m = 0,385 mm
VI. Perception d’un son : hauteur, timbre et spectre
Son pur
Un son pur contient une seule fréquence.
Le signal est sinusoïdal et le spectre contient une seule raie.
Son composé
Un son composé contient plusieurs fréquences.
Il comporte une fréquence fondamentale et des harmoniques.
Hauteur et timbre
Hauteur d’un son
La hauteur correspond à la note entendue. Elle dépend de la fréquence fondamentale.
Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu.
Timbre d’un instrument
Le timbre dépend de la présence et de l’intensité des harmoniques.
Deux instruments peuvent jouer la même note, mais avec un timbre différent.
Exercice type — Même note ou même instrument ?
Deux sons possèdent la même fréquence fondamentale, mais leurs spectres montrent des harmoniques d’intensités différentes.
- Correspondent-ils à la même note ?
- Correspondent-ils au même instrument ?
Correction :
Ils correspondent à la même note car ils ont la même fréquence fondamentale.
Ils ne correspondent pas au même timbre si les harmoniques sont différentes.
Exercice type — Deux instruments jouent la même note
On veut représenter le spectre de deux instruments différents qui jouent la même note : un piano et une guitare. La note jouée a pour fréquence fondamentale f₀ = 440 Hz.
Consigne :
Représenter deux spectres différents qui ont la même fondamentale 440 Hz, mais des harmoniques d’intensités différentes.
Correction :
Les deux spectres ont la même fréquence fondamentale 440 Hz : ils correspondent donc à la même note. Mais les harmoniques n’ont pas les mêmes intensités : les deux sons ont un timbre différent.
Exercice type — Même instrument, deux notes différentes
Un même instrument joue deux notes différentes.
- Note 1 : fondamentale f₁ = 220 Hz
- Note 2 : fondamentale f₂ = 440 Hz
Consigne :
Représenter les deux spectres en gardant une forme comparable pour les harmoniques, mais avec des fréquences différentes.
Correction :
Le deuxième son a une fondamentale plus élevée : il est donc plus aigu. Comme c’est le même instrument, on peut garder une organisation d’harmoniques comparable, mais toutes les fréquences sont déplacées vers la droite.
VII. Domaine des sons audibles et niveau sonore
L’oreille humaine perçoit généralement les sons entre 20 Hz et 20 kHz.
Niveau sonore
Le niveau sonore se mesure en décibel, noté dB.
- L : niveau sonore en dB ;
- I : intensité sonore ;
- I₀ : seuil d’audibilité.
Prévention :
Plus le niveau sonore est élevé, plus il faut réduire la durée d’exposition, porter des protections auditives ou s’éloigner de la source.
Exemple : 85 dB correspond déjà à un niveau sonore élevé si l’exposition dure longtemps.
VIII. Exercices contextualisés
1. Tonnerre au-dessus du lagon
Lors d’un orage, on voit l’éclair puis on entend le tonnerre 4,0 s plus tard. On prend v = 340 m·s⁻¹. À quelle distance se trouve l’orage ?
Formule du cours :
On veut isoler d. On multiplie par t :
Donc :
Application numérique :
d = 340 × 4,0
d = 1360 m = 1,36 km
2. Écholocation d’un dauphin
Un dauphin émet un ultrason qui revient après 0,12 s. Dans l’eau, la célérité du son vaut 1500 m·s⁻¹. À quelle distance se trouve l’obstacle ?
Le signal fait un aller-retour.
daller-retour = 1500 × 0,12 = 180 m
dobstacle = 90 m
3. Haut-parleur Bluetooth
Un haut-parleur émet un son de fréquence f = 220 Hz. Calculer sa période.
Formule du cours :
On veut isoler T. On multiplie par T :
Puis on divise par f :
Application numérique :
T = 1 / 220
T = 4,55 × 10⁻³ s = 4,55 ms
4. Technologie : sonar de bateau
Un bateau utilise un sonar. Le signal met 0,080 s pour revenir après réflexion sur le fond. La célérité du son dans l’eau vaut 1500 m·s⁻¹. Calculer la profondeur.
daller-retour = 1500 × 0,080 = 120 m
Profondeur = 60 m
5. Musique : comparer deux notes
Deux sons ont pour fréquences fondamentales : f₁ = 440 Hz et f₂ = 880 Hz. Lequel est le plus aigu ?
Le son de fréquence 880 Hz est plus aigu.
Plus la fréquence fondamentale est élevée, plus la note est aiguë.
IX. Partie type bac / évaluation — niveau seconde
Ces exercices sont construits dans l’esprit des annales : documents, exploitation d’un signal, calculs, justification et conclusion. Ils restent faisables en seconde.
Situation 1 — Mesure d’une distance par échographie
Un appareil d’échographie émet une salve ultrasonore dans un tissu biologique. L’écho revient après une durée Δt = 52 µs. La célérité des ultrasons dans le tissu vaut c = 1540 m·s⁻¹.
- Expliquer pourquoi on parle d’onde mécanique.
- Convertir Δt en seconde.
- Calculer la distance aller-retour parcourue par l’onde.
- En déduire la profondeur de l’interface réfléchissante.
Correction détaillée :
Une onde sonore est mécanique car elle a besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Δt = 52 µs = 52 × 10⁻⁶ s
Formule du cours :
Ici la vitesse de propagation est notée c et la durée Δt :
On veut isoler d. On multiplie par Δt :
Donc :
Application numérique :
d = 1540 × 52 × 10⁻⁶
d = 8,0 × 10⁻² m
La profondeur correspond à la moitié de la distance aller-retour.
profondeur = 4,0 × 10⁻² m = 4,0 cm
Situation 2 — Analyse d’un son musical
Un logiciel d’analyse indique que le spectre d’un son contient les fréquences suivantes :
| Fréquence (Hz) | 330 | 660 | 990 | 1320 |
|---|---|---|---|---|
| Amplitude relative | forte | moyenne | faible | très faible |
- Identifier la fréquence fondamentale.
- Ce son est-il pur ou composé ?
- Quelle grandeur détermine la hauteur du son ?
- Un autre instrument joue la même note mais avec des amplitudes relatives différentes. Que peut-on dire de son timbre ?
Correction détaillée :
La fréquence fondamentale est la plus basse fréquence présente.
f₀ = 330 Hz
Le son est composé car plusieurs fréquences sont présentes.
La hauteur dépend de la fréquence fondamentale.
Si les harmoniques ont des intensités différentes, le timbre est différent.
Situation 3 — Signal sonore à l’oscilloscope
Sur un oscilloscope, la base de temps est réglée sur 0,50 ms/division. On mesure une période de 5 divisions.
- Déterminer la période en ms.
- Convertir la période en seconde.
- Calculer la fréquence.
- Le son devient-il plus aigu si la période diminue ? Justifier.
Correction détaillée :
T = 5 × 0,50 = 2,5 ms
T = 2,5 × 10⁻³ s
Formule du cours :
On cherche f : la formule est déjà sous la bonne forme.
Application numérique :
f = 1 / 2,5 × 10⁻³
f = 400 Hz
Si la période diminue, la fréquence augmente : le son devient plus aigu.
📌 Fiche bilan — CH3 Les sons
Son
Les sons font partie de la famille des ondes mécaniques, ou ondes acoustiques.
Une onde est une perturbation qui se propage sans transport de matière.
Propagation
Le son a besoin d’un milieu matériel.
Il ne se propage pas dans le vide.
Célérité
Dans l’air : v ≈ 340 m·s⁻¹.
Période
Durée d’un motif qui se répète.
T en seconde.
Fréquence
f en hertz Hz.
Longueur d’onde
λ en m.
Son pur
Une seule fréquence.
Signal sinusoïdal.
Son composé
Fondamentale + harmoniques.
Signal périodique non sinusoïdal.
Hauteur
Dépend de la fréquence fondamentale.
Plus f est élevée, plus le son est aigu.
Timbre
Dépend des harmoniques et de leurs intensités.
Domaine audible
20 Hz à 20 kHz.
Infrasons < 20 Hz ; ultrasons > 20 kHz.
Niveau sonore
Mesuré en décibel dB.
Attention aux expositions longues et fortes.
Carte mentale
Nature
Onde mécanique, vibration, milieu matériel.
Propagation
v = d/t ; air ≈ 340 m·s⁻¹ ; eau ≈ 1500 m·s⁻¹.
Signal
Amplitude, période T, fréquence f.
Relations
f = 1/T ; λ = cT ; λ = c/f.
Musique
Son pur, son composé, fondamentale, harmoniques.
Perception
Hauteur, timbre, niveau sonore, audibilité.