Attention à nos oreilles !

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Ondes et particules
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Attention à nos oreilles !

Ondes et particules

Corrigé

3

Observer

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Sujet inédit

Exercice • 3 points

Nos oreilles sont fragiles. Une trop grande intensité sonore peut les endommager de façon irréversible. Pour prévenir ce risque, il existe des protections auditives de natures différentes selon leur type d’utilisation.

On peut distinguer deux catégories de bouchons d’oreilles :

  • Les bouchons en mousse (ou les boules en cire) à usage domestique. Ce sont les plus courants. Ils sont généralement jetables, de faible coût et permettent de s’isoler du bruit. Ils restituent un son sourd et fortement atténué.
  • Les bouchons moulés en silicone utilisés par les musiciens. Ils sont fabriqués sur mesure et nécessitent une prise d’empreinte du conduit auditif. Ils sont lavables à l’eau et se conservent plusieurs années. Ils conservent la qualité du son. Leur prix est relativement élevé.

L’objectif de l’exercice est de comparer le comportement acoustique des bouchons en mousse et des bouchons moulés, lorsque l’auditeur qui les porte écoute le son émis par une flûte à bec.

1. Étude du son émis par une flûte à bec

Une flûte à bec est constituée d’un tuyau et d’un bec dans lequel on souffle. L’air ainsi mis en mouvement est dirigé contre un biseau. Une partie de l’air est récupérée par le tuyau, l’autre est rejetée vers l’extérieur.

Le musicien, en soufflant dans son instrument, peut jouer différentes notes en bouchant ou débouchant des trous répartis le long du tuyau. La longueur de la colonne d’air excitée est ainsi modifiée.

1 Rappeler les caractéristiques d’une onde sonore. (0,5 point)

2 Quelle grandeur physique caractéristique de l’onde sonore émise est modifiée pour chaque note jouée ? (0,25 point)

2. Analyse de la note la4 d’une flûte à bec

Le musicien joue la note la4. À l’aide d’un système d’acquisition, on enregistre le son émis par la flûte. On obtient l’enregistrement du signal électrique correspondant (figure 1).

1 En utilisant la figure 1, on a déterminé la fréquence du son émis f= 8,8 × 102 Hz.

Expliquer la démarche suivie pour obtenir cette valeur avec la plus grande précision possible. (0,25 point)

2 Cette fréquence étant celle du mode fondamental, quelles sont les fréquences des harmoniques de rangs 2 et 3 ? (0,25 point)


Figure 1

3. Comparaison de la qualité acoustique
d’un bouchon en mousse et d’un bouchon moulé
en silicone à partir d’un document publicitaire

On s’intéresse ici à la qualité du son perçu par un auditeur muni de protections auditives. On donne l’expression du niveau sonore L (exprimé en décibels acoustiques dBA) associé à une onde sonore d’intensité I, L = 10 logII0I0 représente l’intensité sonore de référence égale à 1,0 × 10–12 W · m–2.

Sur un document publicitaire, un fabricant fournit les courbes d’atténuation correspondant aux deux types de bouchons (figure 2). On représente ainsi la diminution du niveau sonore due au bouchon en fonction de la fréquence de l’onde qui le traverse.

On remarque que plus l’atténuation est grande, plus l’intensité sonore est faible.


Figure 2

1 Une pratique musicale régulière d’instruments tels que la batterie ou la guitare électrique nécessite une atténuation du niveau sonore.

Cependant, cette atténuation ne doit pas être trop importante afin que le musicien entende suffisamment ; elle ne doit donc pas dépasser 25 dBA.

Indiquer pour chaque bouchon si le critère précédent a été respecté. (0,25 point)

2 En utilisant ces courbes d’atténuation, indiquer si un bouchon en mousse atténue davantage les sons aigus ou les sons graves.

Commenter la phrase du texte introductif : « Ils (les bouchons en mousse) restituent un son sourd. » (0,25 point)

4. Comparaison de la qualité acoustique
d’un bouchon en mousse et d’un bouchon moulé
en silicone à partir d’une expérience

Un dispositif adapté permet d’enregistrer le son émis par la flûte et ceux restitués par les deux types de bouchons lorsqu’un musicien joue la note la4. Les spectres en fréquence de ces sons sont représentés sur les figures 3, 4 et 5 ci-dessous.


Figure 3. Spectre du la4 émis par la flûte


Figure 4. Spectre du la4 restitué après passage
par un bouchon en mousse


Figure 5. Spectre du la4 restitué après passage
par un bouchon moulé en silicone

1 En justifiant, indiquer si le port d’un bouchon en mousse modifie :

  • la hauteur du son.
  • le timbre du son.

Même question pour le bouchon moulé en silicone. (0,25 point)

2 Commenter la phrase du texte introductif : « Ils (les bouchons moulés) conservent la qualité du son. » (0,25 point)

5. Étude du niveau sonore

Une exposition prolongée à 85 dBA est nocive pour l’oreille humaine.

Durant un concert de rock, un batteur est soumis en moyenne à une intensité sonore I= 1,0 × 10–2 W · m–2.

1 Calculer le niveau sonore auquel correspond l’intensité sonore 1. (0,25 point)

2 Le batteur est porteur de bouchons moulés en silicone correspondant au document publicitaire. En vous aidant de la figure 5, préciser si ses facultés auditives peuvent être altérées au cours du concert ? (0,5 point)

Partie 1

Utilisez la définition d’une onde sonore pour justifier qu’il s’agit d’une onde mécanique.

Partie 2

Sachez mesurer la fréquence d’un signal périodique et déterminer avec la plus grande précision possible la relation entre la fréquence du fondamental et celle des harmoniques.

Faites attention aux chiffres significatifs ! Un résultat obtenu à partir d’un rapport ou un produit doit avoir autant de chiffres significatifs que la grandeur ayant participé au calcul qui en a le moins.

1 Pensez à bien tenir compte de l’échelle sur l’axe des abscisses lorsque vous faites la mesure.

Partie 3

Exploitez le graphique de l’atténuation en fonction de la fréquence.

Parties 4 et 5

Utilisez la définition du timbre et de la hauteur d’un son pour réaliser une étude de spectre. Pour cela, comparez les spectres en fréquences, c’est-à-dire la valeur du fondamental et la composition en harmoniques.

Corrigé

1. Étude du son émis par une flûte à bec

1 Une onde sonore est une onde mécanique progressive périodique qui se propage dans l’air. La présence d’un milieu matériel est nécessaire pour qu’une onde mécanique se propage de proche en proche. Il s’agit d’une onde mécanique longitudinale car les couches d’air subissent des suites de compressions - dilatations qui se produisent dans la même direction que la propagation. Une onde sonore est caractérisée par sa fréquence, elle se propage à une vitesse v dans l’air (340 m · s–1), on a v= λf.

2 Chaque note jouée est caractérisée par sa fréquence.

2. Analyse de la note la4 d’une flûte à bec

1 On détermine la durée Δt de n périodes, avec n le plus grand possible, pour calculer la période

T= Δtn puis la fréquence f= 1T= nΔt.

À l’aide de la figure 1, on mesure 8T pour en déduire

f= 8(10,11,0)×103= 8,8 × 102 Hz.


2 Pour l’harmonique de rang 2, f2= 2f1 soit f2= 17,6 × 102 Hz.

On ne conserve que deux chiffres significatifs alors f2= 1,8 × 103 Hz.

Pour l’harmonique de rang 3, f3= 3f1 soit f3= 26,4 × 102 Hz.

Finalement f3= 2,6 × 103 Hz.

3. Comparaison de la qualité acoustique
d’un bouchon en mousse et d’un bouchon moulé
en silicone à partir d’un document publicitaire

1 Seul le bouchon moulé respecte le critère de l’atténuation inférieure à 25 dBA.

L’autre courbe est toujours au-dessus de 25 dBA.

Lorsque les fréquences audibles augmentent, les sons graves deviennent de plus en plus aigus.

2 L’atténuation du bouchon en mousse est plus élevée pour les sons de fréquences supérieures à 2 000 Hz, celui-ci atténue davantage les sons aigus.

Ce bouchon laisse mieux passer les sons graves, donnant la sensation d’un son sourd.

4. Comparaison de la qualité acoustique
d’un bouchon en mousse et d’un bouchon moulé
en silicone à partir d’une expérience

1 Le bouchon en mousse ne modifie pas la fréquence du fondamental, ainsi la hauteur n’est pas modifiée.

La hauteur d’un son est liée à la fréquence du fondamental ; le timbre regroupe l’ensemble des fréquences du spectre.

En revanche, il modifie le timbre car le spectre en fréquence (figure 4) est différent de celui de la flûte seule (figure 3).

Le bouchon en silicone ne modifie ni le timbre, ni la hauteur du son. En effet, les spectres en fréquence des figures 3 et 5 sont identiques.

2 La qualité du son est caractérisée par la hauteur et le timbre. Ces deux caractéristiques n’étant pas altérées, la qualité du son est conservée par les bouchons moulés en silicone.

5. Étude du niveau sonore

Le log est un logarithme décimal noté généralement Log ; log (x) = ln (x)/ln (10).

1 L = 10 logII0 soit
L = 10 log1,0×1021,0×1012=1,0 × 102 dBA.

2 D’après la figure 2, l’atténuation du bouchon en silicone varie entre 20 dBA et 25 dBA.

Le batteur est alors soumis à un niveau sonore compris entre 75 et 80 dBA, soit en dessous du seuil de nocivité de 85 dBA. Ses facultés auditives ne sont pas altérées au cours du concert.