Annale corrigée Exercice

Un concert de rock

Son et musique, porteurs d'information

Un concert de rock

1 heure

10 points

Intérêt du sujet • Bercé par le chant depuis sa naissance, l'être humain donne libre cours à la création musicale depuis des temps immémoriaux. De nos jours, l'écoute de musique amplifiée, notamment, est-elle conciliable avec notre quatrième sens, « l'ouïe », défini par Aristote ?

 

La nécessité de baisser le niveau sonore dans les concerts ou d'autres lieux publics vient d'être actualisée dans une nouvelle loi. Même sans écouter de musique, nous sommes entourés de bruit, ce qui a des répercussions sur la santé, le sommeil et le stress. Nous savons tous aujourd'hui qu'une exposition à des niveaux sonores trop élevés et sur de longues durées peut altérer l'audition de manière définitive.

Partie 1 • Envoyez la musique !

Document 1Baisse du niveau sonore en concert : « Il y a des salles où on ne pourra techniquement plus jouer »

Pour protéger l'audition du public, un décret impose aux salles de concert, aux discothèques et aux festivals de baisser le volume de 3 décibels. Une mesure qui risque de toucher plus durement certaines petites salles. Ce sont 3 décibels qui font déjà frémir certains organisateurs de concerts. Le 1er octobre 2018 au plus tard, le niveau sonore maximal autorisé dans les lieux diffusant de la musique amplifiée passera de 105 à 102 décibels (dBA), selon un nouveau décret. Conçue pour « protéger l'audition du public » et « la santé des riverains », cette règle s'appliquera dans les lieux clos.

Que les mélomanes se rassurent : ils percevront à peine la différence. Leur oreille interne, en revanche, appréciera. Car selon le Centre d'information et de documentation sur le bruit, l'oreille « commence à souffrir sans que nous le sachions à partir d'une exposition à 85 décibels pendant 8 heures ».

www.francetvinfo.fr

Document 2Le guide du son

Le son est une vibration qui se propage dans l'air. Il provoque une sensation auditive qui peut être agréable ou devenir désagréable, voire dangereuse, si son niveau qui se mesure en décibels (dB) est excessif. Les sons audibles se situent entre 0 dB et 120 dB. Sur le graphique du champ auditif humain, la courbe supérieure représente la limite des intensités perceptibles. Pour les sons d'un niveau d'intensité sonore supérieur à ces valeurs, il y a risque de destruction de l'oreille interne (cochlée). On parle souvent, à tort, de « seuil de la douleur » (> 120 dB), mais il n'y a de douleur que s'il y a rupture du tympan. En revanche, n'attendons pas d'avoir mal pour protéger notre oreille interne des sons nocifs dès 90 dB (seuil de danger). Et pourtant le niveau d'intensité sonore d'un concert de rock est de 110 dB !

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Champ auditif humain

D'après www.cochlea.org

Document 3Zoé au concert de rock

Passionnée par la musique rock, Zoé, adepte du groupe mythique The Queen, entre dans la salle où se produit le groupe Les Zazous sauvages. Le guitariste accorde son instrument pour la dernière fois et le piano esquisse quelques la à 440 Hz derrière le rideau qui ne tarde pas à s'ouvrir dans un fracas inimaginable atteignant le niveau sonore maximal. Le chanteur pousse dans les aiguës en soutenant le la du pianiste avant de lancer sur scène des milliers d'harmoniques.

À partir de vos connaissances et des informations apportées par les documents 1, 2 et 3, répondre aux questions suivantes.

1. Le signal ci-dessous représente une note décomposée enregistrée au concert.

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a) Dire s'il s'agit d'un son pur ou composé, en justifiant.

b) Indiquer sur le graphique le nom que l'on peut attribuer à chacun des trois signaux représentés.

c) S'agit-il d'un la ? Justifier par calcul.

d) Représenter le spectre de ce son sur un graphique.

2. a) La fréquence fondamentale f d'un son émis par une corde vibrante de longueur L est liée à la tension T (en N) de celle-ci et à sa masse linéique μ (en kg · m–1) par la relation suivante :

f = 12L×Tμ

Lorsque le guitariste accorde son instrument, il doit modifier l'une des grandeurs physiques apparaissant dans cette formule : laquelle ? Justifier qualitativement à l'aide de la formule.

b) Indiquer si le son émis par la guitare devient plus grave ou plus aigu lorsque le guitariste augmente la tension de la corde manipulée. Justifier.

c) Démontrer que la fréquence du son émis par la corde double si la tension de celle-ci est multipliée par 4.

3. a) D'après le graphique du champ auditif humain, quel est le seuil de perception pour un son de 20 Hz, de 1 000 Hz ? L'oreille humaine est-elle plus sensible aux moyennes ou aux basses fréquences ?

b) Grâce aux informations données par le graphique, discuter du bien-fondé de la valeur limite autorisée dans les salles de concert.

c) Comment Zoé peut-elle se protéger des sons nocifs lors du concert ?

Partie 2 • Entendre la musique

Document 4Schéma de l'oreille humaine

Les ondes sonores traversent trois parties de l'oreille humaine avant d'être transformées en message nerveux.

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Anatomie de l'oreille humaine

Document 5L'ennemi no 1 de nos cellules sensorielles : le bruit !

La cochlée est fragile : il faut la protéger ! Parmi les facteurs de risque il y a, au premier plan, le bruit intensif. L'exposition à des niveaux sonores élevés détruit de façon irréversible nos cellules sensorielles (cellules ciliées) et provoque surdité et acouphènes.

Nous n'avons à la naissance qu'un capital très limité de cellules sensorielles (moins de 15 000), et ces cellules une fois détruites ne sont pas remplacées.

Afin de diagnostiquer des causes de surdité, il est possible d'effectuer un examen auditif au cours duquel le patient est soumis à des sons de différentes fréquences et niveaux d'intensité. On obtient un audiogramme qui permet de connaître le pourcentage de perte de perception pour chaque type de fréquence.

 

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Pertes d'audition révélées par les audiogrammes

Document 6Le niveau d'intensité sonore

Le niveau d'intensité sonore L se mesure suivant une échelle logarithmique et s'exprime en décibels (dB). L se calcule par la relation suivante :

L = 10 × log II0

avec I0 = 10–12 W · m–2 représentant l'intensité sonore minimale audible.

La fonction du logarithme décimal admet la propriété suivante :

log(10a) = a d'où 10log(a) = a

Données

S = 4πr2, avec S, surface de la sphère dans laquelle l'onde sonore se propage.

On considérera que la puissance sonore associée au concert ou de l'instrument que Zoé entendra le plus est de 5,0 W.

4. a) Compléter les légendes 1 à 5 du schéma de l'oreille humaine.

b) Quelle partie de l'oreille est sensible aux vibrations sonores et les convertit en message nerveux ?

5. a) Calculer l'intensité sonore I correspondant au niveau sonore d'un concert de rock.

b) Calculer la distance à laquelle doit se placer Zoé par rapport aux enceintes pour que le son du concert ne devienne pas dangereux pour son audition.

6. Montrez, grâce au document 5, qu'écouter de la musique au-delà du seuil de danger avec son casque à partir de son téléphone est dangereux pour son audition, et que le volume n'est pas le seul danger.

 

Les clés du sujet

Comprendre les documents

Tableau de 6 lignes, 2 colonnes ;Corps du tableau de 6 lignes ;Ligne 1 : Document 1 • Baisse du niveau sonore en concert; Le texte informe sur un décret de loi destiné à protéger l'audition.Quelques valeurs du niveau d'intensité sonore sont données.; Ligne 2 : Document 2 • Le guide du son; Il présente des informations sur les sons et leur perception.De nombreuses informations sont notées sur le graphique du champ auditif humain.; Ligne 3 : Document 3 • Zoé au concert de rock; C'est une introduction aux questions qui suivent.Prêtez attention à la fréquence qui y apparaît.; Ligne 4 : Document 4 • Schéma del'oreille humaine; Ce document est un schéma de l'anatomie de l'oreille.Le schéma sera à compléter d'après vos connaissances.; Ligne 5 : Document 5 • L'ennemi no 1 de nos cellules sensorielles : le bruit !; Il décrit la fragilité de l'oreille interne et l'examen auditif (audiogramme) de personnes exposées à une musique trop forte.Comparez les audiogrammes.; Ligne 6 : Document 6 • Le niveau d'intensité sonore; Il donne la formule permettant le calcul du niveau d'intensité sonore L.Notez la propriété de la fonction logarithmique.;

Répondre aux questions

Coups de pouce

1. a) à d) Ces questions abordent le son comme une onde avec toutes ses caractéristiques, il suffit de bien connaître votre cours pour pouvoir y répondre.

3. a) et b) Ces questions demandent une lecture du graphique représentant le champ auditif afin de trouver les valeurs à exploiter.

4. Ce sont des questions de cours.

5. a) Utilisez les données des documents 2 et 6 pour répondre à cette question. Notez aussi la propriété de la fonction logarithmique et soyez rigoureux.

Aide à la résolution de la question 6

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Partie 1 • Envoyez la musique !

1. a) Le graphique représente un son qui a été décomposé, il s'agit donc d'un son composé. Un son pur ne correspond qu'à une seule courbe sinusoïdale.

b) La courbe bleue représente la fréquence fondamentale, la courbe verte, la première harmonique et la rouge, la seconde harmonique.

c) Pour vérifier s'il s'agit d'un la, il faut calculer la fréquence de la fondamentale : la courbe bleue. La fréquence (en hertz) est donnée par :

f1 = 1T12,5× 103400 Hz

On constate que la fréquence calculée est très proche de celle du la : fla = 440 Hz, il s'agit donc bien d'un la à quelques erreurs de mesure près.

d) Il faut tracer le graphique représentant l'amplitude en fonction de la fréquence en Hz. Chaque sinusoïde est représentée par un pic sur sa propre fréquence. f1 = 400 Hz, f2 = 3f1 et f3 = 5f1.

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à noter

Il faut bien regarder la formule de f, expliquer à quelle grandeur f est proportionnelle et de quelle façon.

2. a) D'après la formule donnée, on constate que la fréquence émise par la corde est proportionnelle à la racine carrée de T et inversement proportionnelle à sa longueur et à la racine carrée de la masse linéique.

Ne pouvant pas modifier l'épaisseur de sa corde, et donc sa masse linéique, ni sa longueur (car le manche et les clés restent les mêmes), le guitariste ne peut intervenir qu'au niveau de la tension de la corde. On peut donc écrire f = k × T avec k constante.

Il tourne donc les clés d'accordement qui augmentent ou diminuent la tension T de la corde.

b) D'après la formule de f, lorsque T augmente, la fréquence augmente également car ces deux grandeurs sont proportionnelles. D'autre part, les sons de fréquences élevées sont des sons aigus. On peut donc conclure qu'en augmentant la tension de la corde, le son qu'elle émet est de plus en plus aigu.

à noter

Vous pouvez utiliser l'expression simplifiée f = k × T donnée dans la question précédente pour effectuer la démonstration.

c) Si T = 4 × T, on a alors :

fk × 4×T = 2 × k×T donc on a bien f = 2 × f.

On vient de démontrer que la fréquence double si la tension de la corde est multipliée par 4.

3. a) Le seuil de perception représente les niveaux d'intensité sonore minimaux que l'oreille humaine peut percevoir. Sur le graphique du champ auditif humain, il est représenté par la limite basse du champ auditif (en vert). Pour un son de 20 Hz, on lit une valeur de 90 dB environ et pour 1 000 Hz une valeur de 5 dB. Notre oreille est donc plus sensible aux moyennes fréquences qu'aux basses fréquences.

b) Le seuil de la douleur représente les niveaux d'intensité sonore maximaux que l'oreille humaine peut supporter, sans altération des cellules cochléaires : c'est la limite supérieure du champ auditif. Au-delà, il y a danger pour l'oreille interne entraînant des risques de surdité irréversibles.

La limite autorisée dans les concerts étant de 102 dB, d'après le graphique, elle est en dessous du seuil pour les moyennes fréquences, mais elle dépasse le seuil de la douleur pour les basses et hautes fréquences. La limite de 102 dB dans les salles de concert permet d'être sous le seuil de la douleur pour la plupart des fréquences sonores, mais elle reste supérieure au seuil de danger (90 dB) pour toutes les fréquences ! Il est donc impératif de protéger ses oreilles en concert.

c) Pour atténuer le niveau d'intensité sonore en concert, Zoé doit s'éloigner des enceintes qui sont la source sonore ou porter des bouchons d'oreilles qui atténuent le son et l'exposent à moins de décibels pendant le concert.

Partie 2 • Entendre la musique

4. a)

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à noter

Les sons qui sont des vibrations de l'air sont convertis en ondes mécaniques et transmis par le tympan, les osselets et le liquide cochléaire. Lorsque leurs cils se déplacent, les cellules cochléaires produisent un message nerveux auditif transmis ensuite par le nerf auditif.

b) La partie de l'oreille sensible aux vibrations sonores est la cochlée. Les cellules ciliées qu'elle contient sont sensibles aux vibrations et les convertissent en messages nerveux qui sont transmis au cerveau par le nerf auditif.

5. a) D'après le document 2, le niveau d'intensité sonore d'un concert de rock est situé à L = 110 dB. La formule du document 6 nous donne :

L = 10 × log II0

D'après les propriétés indiquées dans le même document, on peut donc écrire :

L10 = log II0 d'où 10L10 10logII0 et finalement 10L10 = II0

I = I0 × 10L10

I = 10–12 × 1011010 = 10–12 × 1011 = 10–1 W · m–2

L'intensité sonore I d'un concert de rock correspondant à un niveau d'intensité de 110 dB (avec 3 chiffres significatifs si on veut être précis) est de :

I = 1,00 × 10–1 W · m2

b)

Le conseil de méthode

Le seuil de danger est donné dans le document 2.

Il faut calculer d'abord l'intensité sonore I correspondant au seuil de danger, puis écrire la relation entre la puissance I et la distance qui sépare Zoé de la scène. Notez que la distance apparaît dans la formule rappelée dans les données de l'exercice.

D'après l'échelle du document 2, le seuil de danger est situé à I = 90 dB. D'autre part : I′ = I0 × 10L10

D'où : I = 10–12 × 109010 = 10–12 × 109 = 10–3 W · m–2 (ou plus précisément, 1,0 × 10–3 W · m–2).

La distance apparaît dans l'expression de I en fonction de la puissance sonore P :

I′ = PS = P4πr2

On a donc :

P = 4π × r2 × I

r = P4πI = 5,04π × 103 = 20 m

Il faut donc que Zoé se place à au moins 20 m de la scène ou des enceintes pour ne pas faire courir un danger à ses oreilles.

6. Notre oreille est fragile. Écouter de la musique trop fort est dangereux pour notre audition, la surdité est irréversible. L'étude des audiogrammes des sujets exposés nous le démontre.

Les trois sujets dont on a les audiogrammes écoutent régulièrement de la musique à un niveau d'intensité trop élevé, au-delà du seuil de danger de 90 dB. Les sujets A et B écoutent régulièrement la musique de leur téléphone au casque ; le sujet A depuis un an, le B depuis 4 ans. La comparaison de leurs audiogrammes nous permet de voir la conséquence de la durée globale d'exposition. Le sujet C écoute de la musique pendant plus de 5 heures par jour avec son casque depuis 4 ans. La comparaison de son audiogramme avec celui du cas B nous montre l'impact d'une exposition journalière trop élevée sur une même durée de 4 ans.

La perte auditive du sujet A est notable, mais limitée avec moins de 5 % pour toutes les fréquences. La perte auditive du sujet B est beaucoup plus importante, atteignant presque 40 % pour des sons entre 1 et 2 kHz, donc des sons de fréquence moyenne. Comme leur source sonore est la même, on peut en déduire que c'est le temps d'exposition quatre fois plus long du sujet B qui a entraîné sa perte d'audition supérieure. Il a perdu 8 fois plus d'audition !

à noter

Il ne reste que 40 % d'audition au sujet C pour les fréquences moyennes qui sont celles de la conversation, ce qui le handicapera dans la vie de tous les jours.

La perte auditive du sujet C est encore plus importante, atteignant 60 % pour des sons de fréquence moyenne. La comparaison avec le sujet B qui écoute aussi la musique au casque depuis 4 ans montre bien que si le temps d'exposition journalier est plus long, la perte d'audition est bien plus importante.

L'exposition à des sons au-delà du seuil de danger de 90 dB est toujours dangereuse pour les cellules ciliées de notre oreille interne. L'écoute de musique au casque avec un volume trop élevé est donc toujours nocive et entraîne une surdité due à la destruction des cellules ciliées de la cochlée. Mais plus le temps d'exposition est long, plus les dégâts sont importants et la perte d'audition prononcée. Il faut donc baisser le volume sonore de son casque et écourter son temps d'écoute pour limiter au maximum cette exposition afin de garder ses cellules ciliées intactes et une bonne audition.

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