Ondes sonores
Le son est une onde mécanique longitudinale : des zones de compression et de dilatation de l'air qui se propagent à environ 340 m/s. Ce chapitre couvre les caractéristiques du son (hauteur, timbre, intensité), le niveau sonore en décibels et l'effet Doppler. Des applications concrètes en médecine (échographie), en musique et en astronomie (redshift).
Objectifs du chapitre
- Caractériser une onde sonore (fréquence, amplitude, spectre)
- Calculer le niveau sonore en décibels
- Comprendre et appliquer l'effet Doppler
- Relier hauteur, timbre et intensité aux grandeurs physiques
I. Caractéristiques du son
Le son est une onde longitudinale : vibration dans la même direction que la propagation.
Vitesse du son dans l'air : v ≈ 340 m/s (dépend de T : v ≈ 331 + 0,6T avec T en °C).
Dans l'eau : v ≈ 1500 m/s. Dans l'acier : v ≈ 5000 m/s.
Fréquences audibles : 20 Hz (grave) à 20 000 Hz (aigu).
Infrasons : f < 20 Hz. Ultrasons : f > 20 kHz.
Hauteur = fréquence fondamentale. Timbre = harmoniques. Intensité = amplitude.
II. Niveau sonore et décibels
Intensité sonore I : puissance acoustique par unité de surface (en W/m²).
Niveau sonore L = 10 × log(I/I₀) en décibels (dB).
I₀ = 10⁻¹² W/m² = seuil d'audibilité (0 dB).
Échelle logarithmique : +10 dB = intensité × 10.
Quelques repères : chuchotement ≈ 20 dB, conversation ≈ 60 dB, concert rock ≈ 110 dB.
Seuil de douleur ≈ 120 dB. Au-delà : risque de lésions auditives irréversibles.
III. Effet Doppler
Quand la source se rapproche, la fréquence perçue AUGMENTE (son plus aigu).
Quand la source s'éloigne, la fréquence perçue DIMINUE (son plus grave).
Formule (source en mouvement) : f' = f × v/(v ± v_s).
+ au dénominateur si la source s'éloigne, - si elle se rapproche.
Applications : radar de vitesse, échographie Doppler (mesure du flux sanguin).
En astronomie : redshift (décalage vers le rouge) = l'étoile/galaxie s'éloigne.
Blueshift (décalage vers le bleu) = l'étoile/galaxie se rapproche.
IV. Spectre sonore et harmoniques
Un son pur = une seule fréquence (sinusoïde). Rare en pratique.
Un son complexe = fondamentale f₁ + harmoniques (f₂ = 2f₁, f₃ = 3f₁, etc.).
Le timbre dépend de la répartition des harmoniques (c'est ce qui distingue un piano d'une guitare à même note).
Analyse spectrale : décomposition d'un son en ses fréquences (transformée de Fourier).
Un diapason produit un son quasi-pur. La voix humaine est très riche en harmoniques.
Formules clés
Niveau sonore
L = 10 log(I/I₀) dB
I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil audibilité)
Vitesse du son
v ≈ 340 m/s dans l'air
Dépend du milieu et de la température
Doppler (source mobile)
f' = f × v/(v ± v_s)
- si rapprochement, + si éloignement
Harmoniques
fₙ = n × f₁
n-ième harmonique = n fois la fondamentale
À retenir
- ★L = 10 log(I/I₀) en dB
- ★Son audible : 20 Hz à 20 kHz
- ★Doppler : rapprochement → f augmente, éloignement → f diminue
- ★+10 dB = intensité × 10
Vocabulaire essentiel
Son pur
Son composé d'une seule fréquence (sinusoïde).
Harmonique
Fréquence multiple entière de la fréquence fondamentale.
Effet Doppler
Modification de la fréquence perçue due au mouvement relatif source/observateur.
Décibel (dB)
Unité de mesure du niveau sonore sur une échelle logarithmique.
Erreurs fréquentes au Bac
- ⚠Confondre intensité sonore (I, en W/m²) et niveau sonore (L, en dB)
- ⚠Oublier que l'échelle des dB est LOGARITHMIQUE : +3 dB = intensité × 2
- ⚠Confondre hauteur (fréquence) et intensité (amplitude) d'un son
- ⚠Appliquer l'effet Doppler avec le mauvais signe (rapprochement vs éloignement)
Conseils de révision
- Retenir : +10 dB = ×10 en intensité, +3 dB ≈ ×2 en intensité
- Pour l'effet Doppler : si le son est plus aigu → la source se rapproche
- Le spectre d'un son permet d'identifier l'instrument (empreinte sonore)
- En astronomie : le redshift est la preuve de l'expansion de l'Univers
Exercices types au Bac
- Exo 1Calculer le niveau sonore pour une intensité donnée
- Exo 2Déterminer la fréquence perçue avec l'effet Doppler (ambulance, radar)
- Exo 3Analyser un spectre sonore et identifier la fondamentale et les harmoniques
- Exo 4Calculer la distance d'un obstacle par écho (d = vt/2)