Physique · 4ème MathThème 3 : Ondes · Chapitre 4

Ondes sonores

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• expliquer la production et la propagation d'un son : onde longitudinale de compression et de dilatation, à trois dimensions ;
• montrer qu'un son a besoin d'un milieu matériel pour se propager ;
• citer des valeurs de la célérité du son et les facteurs dont elle dépend ;
• mesurer la longueur d'onde et la célérité d'un son sinusoïdal à l'aide de deux microphones ;
• situer les domaines des infrasons, des sons audibles et des ultrasons.
Prérequis : onde progressive sinusoïdale, double périodicité, λ = v.T ; utilisation de l'oscilloscope.

Situation de départ

Pendant un orage, on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre : en comptant les secondes, on estime la distance de l'orage. Les chauves-souris chassent dans le noir en émettant des cris que nous n'entendons pas ; les médecins observent un bébé avant sa naissance grâce à des sons tout aussi inaudibles.
Qu'est-ce qu'un son ? À quelle vitesse se propage-t-il ? Pourquoi certains sons nous échappent-ils ?

I. La nature du son

1. Production et propagation

Un son est produit par un objet qui vibre : branche d'un diapason, membrane d'un haut-parleur, corde de guitare, cordes vocales... En vibrant, l'objet comprime puis détend l'air voisin ; ces compressions et dilatations se transmettent de proche en proche.

Animation
À retenir

Le son est une onde mécanique longitudinale (les tranches d'air oscillent parallèlement à la direction de propagation) qui se propage dans les trois dimensions de l'espace.

2. Le son a besoin d'un milieu matériel

Animation

Une sonnerie placée sous une cloche dont on retire l'air devient inaudible, alors qu'elle vibre toujours. Le son se propage dans les gaz, les liquides et les solides, mais pas dans le vide : dans l'espace, une explosion serait silencieuse.

II. La célérité du son

On peut mesurer la célérité du son en plaçant deux microphones à une distance d l'un de l'autre, alignés avec la source ; un claquement sec déclenche un chronomètre électronique au passage devant le premier et l'arrête au passage devant le second :

v = dΔt

Exemple

d = 2,00 m et Δt = 5,85 ms : v = 2,005,85.10-3 = 342 m/s (air à 20 °C environ).

Célérité du son

MilieuCélérité (m/s)
air à 0 °C331
air à 20 °C343
hélium à 20 °Cenviron 1000
eauenviron 1500
bétonenviron 3500
acierenviron 5900

À retenir

  • la célérité dépend du milieu : en général, elle est plus grande dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz ;
  • dans un gaz, elle augmente avec la température ;
  • elle ne dépend ni de la fréquence ni de l'amplitude du son : dans un concert, les sons graves et aigus d'un même accord arrivent ensemble à vos oreilles.
L'orage

On entend le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair (la lumière arrive pratiquement instantanément) : l'orage est à environ 340 × 6 ≈ 2 km.

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