Signaux sonores
Les Notions et Attendus
- Vitesse de propagation
- Fréquences sonores (infrason, audible, ultrasons)
- Décrire le principe de l’émission d’un signal sonore par la mise en vibration d’un objet.
- Décrire l’intérêt de la présence d’une caisse de résonance.
- Expliquer le rôle du milieu matériel
- citer une valeur approchée de la vitesse de propagation dans l'air
- comparer cette vitesse à d'autres vitesses couramment rencontrées (ex : voiture, avion)
- Expliquer la notion de hauteur d’un son audible.
- Expliquer la notion de niveau d’intensité sonore.
- Expliquer la notion de timbre
- Exploiter une échelle de niveau d’intensité sonore et citer les dangers inhérents à l’exposition sonore.
- Définir et déterminer la période, la fréquence d’un signal sonore notamment à partir de sa représentation temporelle.
- lier qualitativement l'amplitude du signal et l'intensité sonore
- Connaître la relation entre période et fréquence
- Relier qualitativement la fréquence à la hauteur d’un son audible.
- Citer les domaines de fréquences des sons audibles, des infrasons et des ultrasons.
- Relier qualitativement intensité sonore et niveau d’intensité sonore.
- lien entre forme du signal et timbre
- Mesurer la vitesse d'un signal sonore
- Utiliser une chaîne de mesure pour obtenir des informations sur les vibrations d’un objet émettant un signal sonore.
- Mesurer la période d’un signal sonore périodique.
- Utiliser un dispositif comportant un microcontrôleur pour produire un signal sonore.
- Enregistrer et caractériser un son (hauteur, timbre, niveau d’intensité sonore, etc.) à l’aide d’un dispositif expérimental dédié, d’un smartphone, etc.
Le cours
1. Emission du son
Principe d'émission
Lorsqu'un objet est mis en vibration dans un milieu matériel il émet une onde sonore.Intérêt d'une caisse de résonance
L'interêt principal d'une caisse de résonance est d'amplifier un son. Elle modifie également le timbre et l'esthétique d'un instrument.
Cette vidéo l'illustre très bien avec un diapason et une corde tendue.
Vocabulaire
Onde : perturbation qui se propage dans un milieu. Généralement sans déplacement de matière. Par exemple le son est une onde, la lumière aussi.Milieu : Support de la propagation d'une onde. Un milieu peut contenir de la matière (Un gaz, un liquide, un solide) on appelle ça un milieu matériel, ou ne pas contenir de matière, c'est ce qu'on appelle le vide.
Exemples
- La corde d'une guitare émet un son en vibrant. Ce son est amplifié par la caisse de résonance qui vibre à son tour et l'onde sonore se propage dans un milieu matériel qui est l'air.
- Pour émettre un son avec notre voix, nos cordes vocales vibrent puis plusieurs éléments dont notre gorge et notre bouche jouent le rôle de caisse de résonance puis l'onde sonore se propage dans l'air.
- Tout comme les êtres humains, certains animaux comme les cachalots sont capables d'émettre un son. Le son se propage ensuite dans l'eau qui est un milieu matériel.
Pour en savoir plus
sur la physique d'une guitare :
sur les cachalots :
2. Propagation
Rôle du milieu matériel
Un onde sonore a besoin de matière pour se propager. Le milieu matériel permet donc à une onde sonore de se propager.Vitesse de propagation
La vitesse de propagation du son dépend de la température de la pression et plus généralement du milieu matériel dans lequel l'onde sonore se propage.A une température de 20°C et à la pression atmosphérique le son se propage à une vitesse d'environ 340 m/s ce qui correspond
approximativement à 1200 km/h
A titre de comparaison la vitesse maximale autorisée sur l'autoroute est de 130 km/h.
Les avions de ligne vont moins vite que le son puisqu'ils vont à un vitesse autour de 1000km/h tandis que
les avions de chasse comme les F-22 Raptor dépassent largement la vitesse du son allant jusqu'à 2400 km/h.
Pour en savoir plus
Pour mieux comprendre ce qu'est vraiment le son :Le mur du son
Lorsqu'un avion dépasse la vitesse du son on dit qu'il franchit le mur du son. Cela signifie qu'on ne peut pas entendre l'avion à moins d'être derrière lui.Le spectacle est assez impressionnant :
3. Perception par l'oreille humaine
Hauteur
La hauteur d'un son se réfère à la manière dont nous percevons un son comme étant plus aigu ou plus grave.Niveau d'intensité sonore
Plus le niveau d'intensité sonore est élevé plus le son perçu est fort. C'est une grandeur qui s'exprime en décibels (dB).Le timbre
Le timbre nous permet de reconnaître de quel instrument provient un son. Plusieurs instruments peuvent émettre la même note mais ne pas être perçu de la même manière. Imaginez un "do" joué par un piano, vous n'entendrez jamais le même son qu'un "do" joué par une guitare ou encore par une flûte. Chaque instrument est donc associé à un timbre qui le rend unique. Cela vaut aussi pour la voix, votre timbre de voix permet de vous identifier.Activité
Document
Le niveau d'intensité sonore (source : Bruitparif)
Le document ci-joint contient une échelle d'intensité sonore ainsi que des informations sur les dangers inhérents à l'exposition sonore. Vous devez être en capacité de d'exploiter ce document.
Voir le docPour en savoir plus
Le voyage du son jusqu'au cerveau (courte vidéo très intéressante mais en anglais) :si vous la regardez sur youtube (cliquez ici) vous aurez accès aux sous-titres traduits automatiquement en français.
4. Perception numérique
Représentation temporelle
Lorsque vous parlez au téléphone, ou si vous chantez dans un micro, votre voix est convertie par l'appareil en signal électrique. Autrement dit les microphones sont capables de transformer un signal sonore en signal électrique. Ce signal électrique peut être visualisé grâce à sa représentation temporelle, c'est un graphique avec l'amplitude du signal en ordonnée et le temps en abscisse. Plus l'amplitude du signal électrique est grande plus l'intensité sonore est élevé.
Signal sonore périodique
Sur la représentation temporelle de certains signaux on peut identifier un motif qui se répète. Lorsque c'est le cas on dit que ces signaux sont périodiques. Le graphique ci-dessous est un exemple de représentation temporelle d'un signal périodique.
\(f = \frac{1}{T}\)
où \(f\) représente la fréquence dont l'unité est le Hertz (Hz) et \(T\) représente la période dont l'unité est la seconde (s).
A retenir
- Pour reconnaître un signal périodique à partir de la représentation temporelle d'un signal on identifie un motif qui se répète.
- La période est la durée du motif d'un signal périodique
- La fréquence est le nombre de motif par seconde
- La fréquence et la période sont donc fortement liées et ce lien s'écrit mathématiquement : \(f = \frac{1}{T}\)
5. Lier Perception Humaine et Perception Numérique
Hauteur et fréquence
Plus un son est aigu plus sa fréquence est élevée. Plus un son est grave plus sa fréquence est faible.
440 Hz
880 Hz
Domaines de fréquences audibles
L'oreille humaine peut généralement entendre les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz. Un signal sonore de fréquence inférieure à 20Hz est appelé infrason tandis qu'un signal sonore de fréquence supérieure à 20kHz est appelé ultrason.
Trouver l'origine d'un son sans l'écouter
Comme nous l'avons vu le timbre permet à notre oreille d'associer un son à un instrument ou à une voix. Vous devez savoir que nous pouvons également retrouver l'origine d'un son grâce à un traitement numérique. C'est à dire que si vous aviez un fichier audio sur votre ordinateur vous pourriez sans même l'écouter en déterminer l'origine en regardant la forme du signal (de quel instrument ou voix il provient).
Le volume sonore
Plus l'amplitude du signal est forte plus l'intensité sonore est élevée et plus le niveau d'intensité sonore est élevé.
Ne pas confondre !
Attention à ne pas confondre intensité sonore et niveau d'intensité sonore.- intensité sonore: il est lié à l'amplitude du signal mais ne traduit pas la perception humaine de volume sonore ressentie par l'oreille. par exemple si on double l'intensité sonore le son ne sera pas deux fois plus fort en ressenti à l'oreille.
- Le niveau d'intensité sonore : Son unité est le décibel (dB) et il traduit la perception humaine de volume sonore. Lorsqu'il double le son est perçu comme étant deux fois plus fort.