Les ondes sonores

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Classe(s) : 1re STI2D - 1re STL | Thème(s) : Les ondes sonores

Une onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique : elle nécessite donc un milieu matériel pour se propager.

A La période et la fréquence

Si on enregistre un son à l’aide d’un microphone, il est possible de visualiser un signal électrique représentant le son.

La courbe ci-contre a été obtenue avec une vitesse de balayage VB (ou sensibilité horizontale Sh) = 1,0 ms/div.

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Les signaux se reproduisent identiques à eux-mêmes au cours du temps : ils sont périodiques. Le signal de la figure est compliqué mais périodique, il représente un son complexe.

La durée la plus petite d’un « motif » qui se reproduit au cours du temps est la période T. La période s’exprime en seconde (s).

Pour déterminer la période T d’un signal sonore sur l’écran de l’oscilloscope, on procède comme pour les tensions sinusoïdales : on repère le nombre de divisions horizontales correspondant à une période et on multiplie ce nombre par la sensibilité horizontale Sh.

Exemple

Pour le son précédent : la période s’étend sur 2,5 divisions, donc la période vaut T = 2,5 × 1,0 = 2,5 ms = 2,5 × 10–3 s.

REMARQUE

Il faut exprimer la période en seconde pour pouvoir calculer la fréquence.

La fréquence f est l’inverse de la période T. La fréquence est le nombre de périodes par seconde :

Image dont le contenu est 	T en seconde (s)f = 1T  	f en hertz (Hz); Fin de l'image

Dans le cas d’un son, la fréquence est appelée « hauteur ». Elle influence la perception sensorielle.

EXEMPLE

La fréquence du son précédent vaut f = 1T soit f = 12,5×103 = 4,0 × 10Hz.

B La gamme d’audition

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L’oreille humaine peut entendre les fréquences comprises entre 20 et 20 kHz. Les infrasons ont des fréquences inférieures à 20 Hz et les ultrasons ont des fréquences supérieures à 20 kHz. Les infrasons et les ultrasons sont inaudibles par les êtres humains.

C La célérité selon le milieu

aLes milieux de propagation

La célérité est la vitesse de propagation de l’onde sonore. La célérité ne dépend pas de la fréquence mais du milieu de propagation.

Tableau de 2 lignes, 4 colonnes ;Corps du tableau de 2 lignes ;Ligne 1 : Milieu; Air; Eau; Acier; Ligne 2 : Célérité (m.s–1); 340; 1,5 × 103; 5,7 × 103;

La vitesse du son est d’autant plus importante que le milieu est dense.

La célérité du son est beaucoup plus faible que la célérité de la lumière dans l’air c = 3,0 × 108 m.s–1.

bLa détermination de la célérité des sons ou des ultrasons

On utilise un dispositif sonore ou ultrasonore qui émet des ondes sous forme de salves et 2 récepteurs décalés l’un par rapport à l’autre. Les 2 récepteurs sont connectés à un ordinateur ou un oscilloscope. Le récepteur 1, placé à une distance d de l’émetteur, donne le signal 1. Le récepteur 2, placé à une distance d de l’émetteur, donne le signal 2. Le signal envoyé par l’émetteur parvient plus tard au récepteur 2, qui est le plus éloigné, donc le signal 2 est décalé d’une durée ∆t par rapport au signal 1.

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Pour déterminer la vitesse de propagation des ondes ultrasonores, on doit mesurer la durée ∆t à l’aide de l’écran de l’oscilloscope. La distance séparant les 2 récepteurs est égale à la différence d′ – d.

On peut alors calculer la célérité des ondes sonores v = d′dΔt, les distances étant exprimées en mètre et la durée en seconde.

Exemple

On se réfère à la figure précédente. Le récepteur 1 est placé à une distance d = 0,15 m et le récepteur 2 est placé à une distance d’ = 1,30 m.

La vitesse de balayage est VB = 1,0 ms/div.

1. Déterminer la durée ∆t en utilisant l’écran de l’oscilloscope précédent.

2. Calculer alors la célérité des ondes ultrasonores.

Réponse :

1. Les 2 signaux sont séparés de 3,4 divisions à l’écran de l’oscilloscope, or la vitesse de balayage vaut VB = 1,0 ms/div, donc la durée ∆t = 3,4 × 1,0 = 3,4 ms = 3,4 × 10–3 s.

2. La célérité des ondes ultrasonores est égale au rapport v = d′  dΔt, avec d’– d = 1,30 – 0,15 = 1,15 m et ∆t = 3,4 × 10–3 s, soit v = 1,153,4×103= 340 m.s–1.

On retrouve la célérité des ondes sonores : les sons et les ultrasons se propagent à la même vitesse.

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