Émission & Perception d'un son

➔ Un son est produit par la mise en vibration d'un objet. Exemples :

• Corde de guitare.
• Branche de diapason.
• Membrane d'un haut-parleur.
• Cordes vocales.

Le son peut être amplifié grâce à une caisse de résonance (ex. : table d'harmonie d'une guitare, corps d'un violon).

➔ Le son est une onde mécanique : il nécessite un milieu matériel (gaz, liquide ou solide) pour se propager.

Principe de propagation :

1. L'objet vibrateur met en mouvement les molécules d'air voisines.
2. Les molécules se rapprochent (zones de surpression) puis s'éloignent (zones de dépression).
3. Cette perturbation se propage de proche en proche jusqu'à l'oreille.

➔ La vitesse du son dépend du milieu traversé : plus le milieu est dense et rigide, plus le son s'y propage vite.

Vitesse du son dans différents milieux :

Milieu	Vitesse de propagation (m·s⁻¹)
Air (20 °C)	≈ 340
Eau douce (20 °C)	≈ 1 500
Acier	≈ 5 000

Comparaison : La vitesse de la lumière dans l'air est $c = 3,00 \times 10^8 \, \text{m} \cdot \text{s}^{-1}$, soit près d'un million de fois plus grande que celle du son.

Relation distance/durée/vitesse : $$ d = v \times \Delta t $$ Exemple : Un éclair est observé 3 s avant le tonnerre. La distance est : $$ d = 340 \times 3 = 1\,020 \, \text{m} \approx 1 \, \text{km}. $$

➔ Avec un système d'acquisition (microphone + logiciel comme Audacity, oscilloscope, ou smartphone via l'application FizziQ), on peut visualiser l'évolution de la tension délivrée par le microphone en fonction du temps.

Lecture de la représentation temporelle :

• Axe horizontal (abscisses) : le temps $t$ (en secondes, ms, µs...).
• Axe vertical (ordonnées) : la tension $u$ délivrée par le microphone (en volts).
• Si le signal se répète identiquement à lui-même, il est dit périodique.

➔

• Période $T$ : plus petite durée séparant deux reproductions à l'identique d'un motif élémentaire. Elle s'exprime en secondes (s).
• Fréquence $f$ : nombre de fois que ce motif se reproduit par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).

Relation entre période et fréquence : $$ f = \frac{1}{T} $$
Exemples numériques :

• Si $T = 5 \, \text{ms} = 0,005 \, \text{s}$ → $f = \frac{1}{0,005} = 200 \, \text{Hz}$.
• Si $f = 440 \, \text{Hz}$ (la note La) → $T = \frac{1}{440} \approx 2,27 \, \text{ms}$.

➔ La hauteur d'un son correspond à sa fréquence :

• Plus un son est grave, plus sa fréquence est basse.
• Plus un son est aigu, plus sa fréquence est élevée.

Plages de fréquences :

Catégorie de son	Plage de fréquences
Infrasons	< 20 Hz
Sons graves (perçus)	20 Hz – 200 Hz
Sons médiums (perçus)	200 Hz – 2 000 Hz
Sons aigus (perçus)	2 000 Hz – 20 000 Hz
Ultrasons	> 20 000 Hz (= 20 kHz)

À retenir : L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz : c'est le domaine des sons audibles.

➔ Le timbre permet de distinguier deux sons de même hauteur (même fréquence fondamentale) joués par des instruments différents.

Le timbre dépend de la forme de la représentation temporelle :

• La présence et l'intensité des harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale) confèrent à chaque instrument sa couleur sonore particulière.

➔

Grandeur	Définition & unité
Intensité sonore $I$	Puissance reçue par unité de surface — W·m⁻²
Niveau d'intensité sonore $L$	Grandeur logarithmique — décibel (dB)

Relation entre $I$ et $L$ :

• L'intensité sonore $I$ et le niveau d'intensité sonore $L$ varient dans le même sens, mais ils ne sont pas proportionnels.
• Lorsque $I$ double, $L$ n'augmente que de 3 dB.

C'est pourquoi l'échelle des décibels est dite logarithmique.

➔ Échelle de niveau de bruit :

Niveau (dB)	Exemples	Catégorie
10 – 20	Chuchotements, bruit des feuilles, bibliothèque	Bruits légers
40 – 60	Bureau calme, lave-linge, conversation normale	Bruits ambiants
60 – 80	TV, aspirateur, voiture, tondeuse, réfectoire scolaire	Bruits nuisibles
80 – 100	Moto, train, usine, concert, bar, tronçonneuse	Bruits dangereux
> 85	Marteau piqueur, avion au décollage, coup de feu, fusée	Bruits douloureux

Durée maximale d'exposition (réglementaire) :

• 85 dB : 8 h/jour.
• 88 dB : 4 h/jour.
• 95 dB : 15 min/jour.
• 100 dB : 5 min/jour.
• 120 dB : 2–3 secondes max.

⚠️ Protection obligatoire : L'utilisation de protections auditives (bouchons, casque) est obligatoire au-delà de 85 dB.