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Émission et propagation d’un son. Cours |
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I-
Émission et propagation d’un signal sonore.
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1)- Représentation temporelle d’un signal périodique.
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1)-
Exercice 5 page 216 :
Comparer des valeurs de vitesse. 2)-
Exercice 6 page 216 :
Déterminer la période d’un signal sonore. 3)-
Exercice 8 page 217 :
Calculer un domaine de fréquence. 4)-
Exercice 9 page 217 :
Représenter un domaine de fréquences. 5)-
Exercice 13 page 217 : Relier
des grandeurs. 6)-
Exercice 14 page 217 :
Évaluer une exposition sonore. 7)-
Exercice 17 page 218 :
L’oreille humaine 8)-
Exercice 18 page 218 :
Accorder une guitare avec un diapason. 9)- Exercice 24 page 220 : Détermination de la vitesse de propagation des ultrasons. 10)-
Exercice 26 page 221:
Propagation du son et température de l’air. 11)-
Exercice 29 page 222 : DS
Test d’audiométrie tonale.
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I-
Émission et propagation d’un signal sonore.
1)- Émission d’un signal sonore.
-
Mis en vibration, un
objet émet un signal sonore.
-
Pour que ce signal
sonore soit
audible, il faut l’amplifier.
-
Pour ce faire, on
utilise le plus souvent une caisse de résonance.
-
Exemple : la
contrebasse
-
Lorsque l’on fait
vibrer les cordes d’une contrebasse, celles-ci produisent un son.
-
Ce son est alors
amplifié par le corps de la contrebasse qui fait office de caisse de résonance.
2)- Propagation d’un signal sonore.
-
Son émis par un
haut-parleur :
-
Lorsqu’un haut-parleur
est soumis à une tension périodique, sa membrane vibre.
-
Cela crée une
vibration de l’air qui se propage de proche en proche sans transfert de
matière : c’est une onde sonore.
-
Schéma d’un
haut-parleur :
-
Propagation d’un son :
-
Les molécules qui
constituent l’air vibrent et transmettent ce mouvement de proche en proche aux
molécules voisines.
-
Quelques points
importants :
-
Un signal sonore a
besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Un signal sonore se
propage dans un milieu matériel solide, liquide ou gazeux mais ne se propage pas
dans le vide.
-
Les vitesses de
propagation d’un signal sonore dépendent du milieu matériel de propagation.
-
On parle aussi de la
célérité d’un son.
-
La valeur approchée de
la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air à environ 20 ° C est :
-
v
≈
340 m / s.
-
cette vitesse dépend
de la température.
-
La célérité du son
dépend du milieu de propagation.
-
La célérité du son est
plus grande dans les solides que dans les liquides et le gaz.
-
Car moins le milieu
est compressible, plus il est difficile à déformer et plus il est rigide.
-
Plus il est rigide,
plus grande est sa célérité.
-
Tableau de
comparaison :
-
Comparaison de cette
valeur avec d’autres valeurs de vitesse.
|
Faucon
pèlerin
en
piqué |
Avion
de
ligne |
Son dans
l’air |
Son
dans l’eau
liquide |
Concorde
2 |
Son
dans l’acier
solide |
Lumière
dans l’air ou
le vide |
Valeur
approchée
de la
vitesse
(m . s–1) |
50 |
250 |
345 |
1500 |
1530 |
5000 |
3,00 ×108 |
1,4×10–1 |
7,2×10–1 |
1 |
4,3 |
4,4 |
1,4 ×101 |
8,7 ×105 |
3)- Caractéristiques d’un signal sonore périodique.
Un phénomène périodique est un
phénomène qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps
réguliers.
-
Exemple :
-
Signal émis lors de la
réalisation d’un audiogramme :
b)-
Période et fréquence :
-
La période
T
d’un phénomène périodique est la durée au bout de laquelle le phénomène se
reproduit identique à lui-même.
-
L’unité de période
T
est la seconde, symbole s.
-
La fréquence
f représente le nombre de période par
seconde. On écrit :
-
-
unité
de fréquence : Hertz : symbole Hz
-
Remarque : Pour
obtenir la fréquence en Hz, il faut pour cela exprimer la période en seconde s.
c)-
Enregistrement d’un signal
sonore
-
C’est la
représentation temporelle du signal électrique, de la tension
u =
f (t),
obtenue à l’aide d’un microphone.
-
Exemple :
-
L’analyse du signal
délivré par un microphone qui capte cette onde sonore montre que les vibrations
captées par le récepteur ont la même fréquence
f
que celle de la tension
périodique appliquée aux bornes du
H.P.
-
L’analyse du signal délivré par le
GBF
et du signal reçu par le microphone montre que les vibrations captées par le
récepteur ont la même fréquence
f que celle de la tension périodique.
d)-
Tension maximale, tension
minimale : Amplitude
- Pour une tension périodique u (t), la tension maximale Umax désigne la valeur la plus élevée prise par u (t) au cours du temps.
- La tension minimale Umin
est sa valeur la plus faible.
-
L’amplitude de la
tension représente l’écart entre sa valeur maximale et sa valeur moyenne.
-
Application :
-
Déterminer, pour le
signal suivant :
-
les valeurs de
Umax
et Umin
-
La
valeur de l’amplitude
A:
-
Sa
période T
et sa fréquence f.
-
Umax
≈ 50 mV et
Umin
≈ - 50 mV
-
Remarque : Umax
= – Umin
la tension est dite symétrique.
-
Comme la tension
est symétrique, la valeur moyenne est nulle pour cette tension.
-
A
= Umax ≈ 50 mV
-
C’est un cas
particulier fréquent.
-
On peut
déterminer aussi la valeur de la période
T
et ainsi la valeur de la fréquence
f.
-
Période du signal :
-
5
T
≈ 2,0 ms
=>
T ≈ 0,40 ms
-
Fréquence du signal :
-
-
L’oreille humaine est
un récepteur sensible aux ondes sonores dont la fréquence est comprise entre
20 Hz et 20 kHz.
-
Domaines des ondes
sonores :
-
Les sons émis par deux
cordes différentes d’une guitare n’ont pas la même fréquence.
-
Ils n’ont pas la même
hauteur.
-
Plus la hauteur d’un
son est grande, plus sa fréquence est élevée et plus le son est aigu.
-
D’autre part, plus un
son est grave et plus sa fréquence est basse.
-
Le timbre d’un son
dépend du nombre et de l’amplitude des harmoniques qui sont présents.
-
Deux sons de même
hauteur émis par des instruments différents ne sont pas perçus de la même
manière, car les harmoniques, associées au fondamental, sont différentes.
-
L’analyse spectrale
d’un son musical permet de caractériser :
-
La hauteur du son qui
est liée à la fréquence f1
du fondamental
-
Le timbre du son qui
est lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques présentes.
-
Le timbre du son émis dépend de l'instrument de musique mais aussi du point
d'attaque.
3)- Intensité et niveau d’intensité sonore.
-
Le niveau d’intensité
sonore est lié à l’amplitude du signal sonore.
-
Plus
l’amplitude du signal sonore est élevée plus l’intensité sonore
I
est grande.
-
L’intensité sonore,
notée I,
caractérise l’intensité du signal reçue par l’oreille.
-
Elle
s’exprime en watt par mètre carré : W / m2
ou W. m–2
-
L’oreille humaine
normale perçoit les signaux sonores dont l’intensité est comprise entre
-
Une valeur minimale
I0
= 1,0 × 10–12 W. m–2
(seuil d’audibilité)
-
Et une valeur maximale
Imax
= 25 W. m–2 (seuil de
douleur).
- Comme l’écart entre ces deux valeurs est très grand, on a créé une nouvelle grandeur, qui utilise une échelle logarithmique :
- Appelée le niveau
d’intensité sonore, notée
L.
-
Le
niveau d’intensité sonore L s’exprime en décibel dB
-
L’intensité sonore I
et le niveau d’intensité sonore L varient dans le même sens.
-
Quand
I
augmente, L
augmente.
-
Le niveau d’intensité
sonore se mesure avec un sonomètre.
-
Remarque : l’intensité sonore
I n’est pas proportionnelle au niveau
d’intensité sonore
L.
-
Échelles de I
et
L :
-
Remarque : les valeurs de
L (dB) sont plus faciles à manipuler
que les valeurs de
I (W. m–2)
-
Plus le niveau
d’intensité sonore et la durée d’exposition sont élevés et plus les risques
d’atteinte de l’audition sont importants.
-
Remarque :
-
Lorsque plusieurs
instruments de musique jouent ensemble, les intensités sonores
I dues à chaque
instrument s’ajoutent, alors que les niveaux d’intensité sonore
L ne s’ajoutent
pas.
-
L’exposition sonore
tient compte du niveau d’intensité sonore et de la durée d’exposition auxquels
l’oreille est soumise.
-
Une
exposition sonore trop élevée peut avoir des
conséquences irréversibles,
comme une surdité partielle, voire totale.
-
Une exposition sonore
de quelques secondes à un niveau d’intensité sonore L supérieur à 120 dB peut
entraîner une surdité totale et c’est irréversible.
1)- Représentation temporelle d’un signal périodique.
-
Un microphone permet
de convertir un signal sonore en un signal électrique.
-
Cette tension a la
même période que le signal sonore.
-
L’analyse de la
représentation temporelle du signal électrique permet d’étudier le signal
sonore.
-
Trois signaux sonores
sont émis. Ils ont pour fréquence
a.
f1
= 8,0 × 102 Hz
b.
f2
= 4,0 × 102 Hz
c.
f3
= 2,0 × 102 Hz
-
Les signaux
électriques obtenus lors de l’acquisition de ces trois signaux sonores sont
représentés ci-dessous.
-
Exploiter chaque
signal pour déterminer la valeur de la période et en déduire la valeur de la
fréquence sur l’oscillogramme.
-
Faire attention aux
réglages.
-
Étude
de l’enregistrement a.
-
Valeur de la période
du signal : exploitation de l’oscillogramme :
-
Durée de balayage :
►
Durée de balayage :
b
= 0,50 ms / div
-
Pour
deux périodes, x ≈ 5 div
-
2 T
= x
. b
-
2
T
≈ 2,5 × 0,50
-
T
≈ 1,25 ms
-
On en déduit la
fréquence du signal :
-
-
Ce résultat est en
accord avec la valeur du signal a. avec f1
= 8,0 × 102 Hz
-
Étude
de l’enregistrement b.
-
Valeur de la période
du signal : exploitation de l’oscillogramme :
-
Durée de balayage :
►
Durée de balayage :
b
= 2 ,0 ms / div
-
Pour
quatre périodes, x ≈ 5 div
-
4
T =
x
. b
-
4
T
≈ 5,0 × 2,0
-
T
≈ 2,5 ms
-
On en déduit la
fréquence du signal :
-
-
Ce
résultat est en accord avec la valeur du signal
b.
avec f2
= 4,0 × 102 Hz
-
Étude de
l’enregistrement c.
-
Valeur de la période
du signal : Exploitation de l’oscillogramme :
-
Durée de balayage :
►
Durée de balayage :
b
= 2 ,0 ms / div
-
Pour
deux périodes, x ≈ 5 div
-
2
T =
x
. b
-
2
T
≈ 5,0 × 2,0
-
T
≈ 5,0 ms
-
On en déduit la
fréquence du signal :
-
-
Ce
résultat est en accord avec la valeur du signal
c.
avec f3
= 2,0 × 102 Hz
1)-
Exercice 5 page 216 :
Comparer des valeurs de vitesse. 2)-
Exercice 6 page 216 :
Déterminer la période d’un signal sonore. 3)-
Exercice 8 page 217 :
Calculer un domaine de fréquence. 4)-
Exercice 9 page 217 :
Représenter un domaine de fréquences. 5)-
Exercice 13 page 217 : Relier
des grandeurs. 6)-
Exercice 14 page 217 :
Évaluer une exposition sonore. 7)-
Exercice 17 page 218 :
L’oreille humaine 8)-
Exercice 18 page 218 :
Accorder une guitare avec un diapason. 9)- Exercice 24 page 220 : Détermination de la vitesse de propagation des ultrasons. 10)-
Exercice 26 page 221:
Propagation du son et température de l’air. 11)-
Exercice 29 page 222 : DS
Test d’audiométrie tonale.
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