Émission et perception d'un son seconde : exercices corrigés (PDF)

Un moustique qui tourne dans la chambre, une enceinte qu’on monte à fond, un souffleur de feuilles sous la fenêtre : derrière chaque son, il y a un objet qui vibre, de la matière qui transmet la vibration, et une oreille qui la perçoit. Le programme de Seconde demande aussi deux lectures de document : un oscillogramme, pour en tirer la période et la fréquence, et une échelle de niveaux d’intensité sonore, en décibels. Les exercices 1 à 3 se font sans calcul : deux quiz et un texte à trous, corrigés dès que tu valides. Les exercices 4 et 5 sont des situations de contrôle, chacune avec son document et un corrigé rédigé comme au tableau.

Le son, de la source à l’oreille

Émettre et propager

Un son est émis par un objet qui vibre : la source. Une caisse de résonance, mise en vibration par la source, rend le son plus fort sans changer sa hauteur.

La vibration se transmet de proche en proche dans un milieu matériel, gaz, liquide ou solide : le son ne se propage pas dans le vide.

Dans l’air : v ≈ 340 m·s⁻¹

La lumière va à 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹, près d’un million de fois plus vite.

Lire un signal périodique

La période T est la plus petite durée au bout de laquelle le motif se répète. Elle s’exprime en secondes (s).

La fréquence f est le nombre de motifs par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz).

f = 1 / T, avec T en secondes

Pour être précis, on mesure la durée de plusieurs motifs, puis on la divise par leur nombre.

Ce que l’oreille perçoit

La hauteur dépend de la fréquence : plus elle est grande, plus le son est aigu. Le timbre dépend de la forme du motif.

Plus l’amplitude est grande, plus l’intensité sonore (en W·m⁻²) est grande, et plus le niveau d’intensité sonore, affiché en décibels (dB) par un sonomètre, est élevé.

Audibles : de 20 Hz à 20 kHz environ

En dessous, des infrasons ; au-dessus, des ultrasons. À partir d’environ 85 dB, une exposition prolongée peut abîmer l’audition ; vers 120 dB, le son devient douloureux.

La carte du chapitre : la source qui vibre et le milieu qui transmet, le signal qu’on lit sur un écran, puis ce que l’oreille en perçoit.

Avant de te lancer : pour les exercices 4 et 5, cherche au brouillon avant d’ouvrir le corrigé : c’est en te trompant que tu progresses. Les exercices réussis se cochent au fur et à mesure, et la page retient où tu en es.

Exercice 3

Le cours sur le son en un paragraphe

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Le cours en un texte à trous

Un son est émis par un objet qui : c'est la source. Il se propage de proche en proche dans un milieu matériel, gaz, liquide ou solide, mais pas . Dans l'air, sa vitesse vaut environ . Sur l'enregistrement d'un son périodique, la plus petite durée au bout de laquelle le motif se répète est la ; la fréquence, en hertz, en est . Plus la fréquence est grande, plus le son est . Deux instruments qui jouent la même note se distinguent par leur , lié à la forme du motif. Un sonomètre affiche le niveau d'intensité sonore, en : à partir d'environ 85 dB, une exposition prolongée peut abîmer l'audition.

Exercice 4

Lire une période et une fréquence sur un oscillogramme

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Application directe : le bourdonnement d'un moustique

Un soir d’été, un moustique tourne autour de la lampe de chevet, avec son bourdonnement aigu. Malik approche son téléphone et lance une application qui affiche, en direct, le signal capté par le microphone : c’est la représentation temporelle du son, qu’on appelle aussi un oscillogramme. Des chercheurs se servent de ce genre d’enregistrement, fait avec un simple téléphone, pour reconnaître l’espèce d’un moustique.

Le bourdonnement du moustique sur l’écran du téléphone. Sur l’axe horizontal (le temps), une division correspond à 1,0 ms. A et B sont deux points identiques du motif, chacun sur une ligne du quadrillage.

Données : sur l’écran, une division horizontale correspond à $1{,}0\ \text{ms}$ , et $1\ \text{ms} = 10^{-3}\ \text{s}$ . La fréquence se calcule par $f = \dfrac{1}{T}$ , avec la période $T$ en secondes et la fréquence $f$ en hertz ( $\text{Hz}$ ). L’être humain entend les sons de fréquence comprise entre $20\ \text{Hz}$ et $20\ \text{kHz}$ environ, avec $1\ \text{kHz} = 10^{3}\ \text{Hz}$ . Le bourdonnement d’un gros bourdon, enregistré de la même façon, a une fréquence voisine de $150\ \text{Hz}$ .

Quel objet vibre pour émettre ce son ? Pourquoi peut-on dire que le signal enregistré est périodique ?
Les points A et B sont deux points identiques du motif. Combien de motifs entiers les séparent, et combien de divisions horizontales ? En déduire la période $T$ du signal, en millisecondes puis en secondes.
Calculer la fréquence $f$ du bourdonnement.
Ce son est-il audible par l’être humain ? Est-il plus aigu ou plus grave que celui du bourdon ? Justifier.
Le moustique se rapproche du téléphone, sans changer le rythme de ses ailes. Qu’est-ce qui change sur l’oscillogramme, et qu’est-ce qui ne change pas ? Que devient le niveau d’intensité sonore à l’emplacement du téléphone ?

Voir le corrigé

1. Ce sont les ailes du moustique qui vibrent : en battant, elles poussent puis tirent l’air qui les entoure, et cette vibration se propage de proche en proche jusqu’au microphone. Le signal est périodique : le même motif se répète, identique à lui-même, à intervalles de temps égaux.

2. Entre A et B, on compte 3 motifs entiers, qui s’étendent sur 5 divisions horizontales. Leur durée vaut :

$\Delta t = 5 \times 1{,}0\ \text{ms} = 5{,}0\ \text{ms}$

Un motif dure trois fois moins longtemps :

$T = \dfrac{\Delta t}{3} = \dfrac{5{,}0\ \text{ms}}{3} \approx 1{,}7\ \text{ms}$

soit $T \approx 1{,}7 \times 10^{-3}\ \text{s}$ . Mesurer trois motifs plutôt qu’un seul rend la lecture plus précise : l’erreur commise en plaçant les deux points se partage entre trois périodes.

Lecture : entre A et B, trois motifs entiers occupent 5 divisions, soit 5,0 ms. Un motif dure donc 5,0 ms / 3.

3. La fréquence est l’inverse de la période : c’est le nombre de motifs par seconde. Pour ne pas perdre de précision à cause de l’arrondi de $T$ , on calcule avec la durée des trois motifs, puisque $T = \dfrac{\Delta t}{3}$ :

$f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{3}{\Delta t} = \dfrac{3}{5{,}0 \times 10^{-3}\ \text{s}} = 6{,}0 \times 10^{2}\ \text{Hz}$

Le bourdonnement a une fréquence de $600\ \text{Hz}$ environ : les ailes du moustique battent environ $600$ fois par seconde. Si tu as calculé avec la valeur arrondie $T = 1{,}7 \times 10^{-3}\ \text{s}$ , tu trouves environ $590\ \text{Hz}$ : l’écart vient seulement de l’arrondi.

4. On compare la fréquence aux bornes du domaine audible, écrites dans la même unité : $20\ \text{Hz} < 600\ \text{Hz} < 20\,000\ \text{Hz}$ . Le bourdonnement est donc audible. Sa fréquence est bien plus grande que celle du bourdon, voisine de $150\ \text{Hz}$ : plus la fréquence est grande, plus le son est aigu, donc le moustique émet le son le plus aigu.

5. Plus près du téléphone, le microphone reçoit un son plus intense : l’amplitude du signal augmente, les motifs montent plus haut et descendent plus bas sur l’écran. L’intensité sonore reçue par le microphone augmente, donc le niveau d’intensité sonore à cet endroit augmente aussi. En revanche, les ailes battent au même rythme : la période, donc la fréquence, ne change pas, et le son garde la même hauteur.

Réflexe à retenir : sur un oscillogramme, la période se lit sur l’axe horizontal, entre deux points identiques du motif. On compte plusieurs motifs, puis on divise leur durée par leur nombre. L’amplitude, elle, se lit sur l’axe vertical.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Exercice 5

Exploiter une échelle de niveaux d'intensité sonore

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Type évaluation, avec deux documents à exploiter

En automne, les agents des espaces verts d’une commune dégagent les trottoirs des feuilles mortes avec des souffleurs à moteur thermique. Pour choisir les protections de son équipe, la responsable du service fait mesurer le niveau d’intensité sonore avec un sonomètre.

Document 1 : une échelle de niveaux d’intensité sonore, à lire de bas en haut. Les repères sont des valeurs typiques : un niveau dépend de la source et de l’endroit où l’on mesure. En orange, au-delà du seuil de risque ; en rouge, au-delà du seuil de douleur.

Document 2 : les mesures au sonomètre.

Où le sonomètre est placé	Niveau d’intensité sonore
À l’oreille d’un agent qui utilise un souffleur	$98\ \text{dB}$
Sur le trottoir, à $15\ \text{m}$ de cet agent	$74\ \text{dB}$
Sur le trottoir, à $15\ \text{m}$ de deux agents équipés de souffleurs identiques	$77\ \text{dB}$

Avec deux souffleurs identiques qui fonctionnent côte à côte, l’intensité sonore reçue sur le trottoir est deux fois plus grande qu’avec un seul.

Quelle grandeur le sonomètre mesure-t-il, et dans quelle unité ? Avec quelle autre grandeur, qui s’exprime en watts par mètre carré ( $\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ ), ne faut-il pas la confondre ?
Situer le niveau mesuré à l’oreille de l’agent sur l’échelle du document 1 : entre quels repères se trouve-t-il ? Le comparer aux deux seuils de l’échelle.
Un agent passe une grande partie de sa journée de travail avec son souffleur. Citer deux conséquences possibles pour son audition s’il ne se protège pas, puis deux façons de se protéger.
Expliquer, à l’aide de l’intensité sonore, pourquoi le niveau mesuré sur le trottoir est plus faible qu’à l’oreille de l’agent. Un passant est-il exposé au même risque que l’agent ?
Avec deux souffleurs, l’intensité sonore reçue sur le trottoir double. Le niveau d’intensité sonore double-t-il lui aussi ? Que montre cet exemple sur l’échelle des niveaux d’intensité sonore ?

Voir le corrigé

1. Un sonomètre mesure le niveau d’intensité sonore, noté $L$ , en décibels ( $\text{dB}$ ). Il ne faut pas le confondre avec l’intensité sonore, notée $I$ , qui s’exprime en $\text{W}\cdot\text{m}^{-2}$ : elle décrit l’énergie que le son apporte, chaque seconde, sur chaque mètre carré. Les deux grandeurs varient dans le même sens : plus l’intensité sonore reçue est grande, plus le niveau d’intensité sonore est élevé.

2. Sur l’échelle, $98\ \text{dB}$ se situe entre le repère de la tondeuse à gazon ( $90\ \text{dB}$ ) et celui du marteau-piqueur à quelques mètres ( $100\ \text{dB}$ ), tout près de ce dernier. On le compare ensuite aux deux seuils :

$98\ \text{dB} > 85\ \text{dB}$ : le seuil de risque est dépassé, une exposition prolongée peut abîmer l’audition de l’agent ;
$98\ \text{dB} < 120\ \text{dB}$ : le seuil de douleur n’est pas atteint, le son n’est pas douloureux.

Le son n’est pas douloureux, mais il devient dangereux quand l’exposition dure : l’absence de douleur ne protège pas l’audition.

3. Sans protection, l’agent s’expose à une fatigue auditive (les sons paraissent étouffés après le travail), à des acouphènes, c’est-à-dire des sifflements ou des bourdonnements dans les oreilles, et, si l’exposition se répète, à une perte d’audition qui peut être définitive. Pour se protéger, il peut porter un casque antibruit ou des bouchons d’oreilles, réduire la durée d’exposition en faisant des pauses dans un endroit calme, ou utiliser un appareil moins bruyant.

4. À mesure que le son s’éloigne de la source, l’énergie qu’il transporte se répartit sur une surface de plus en plus grande : chaque mètre carré en reçoit moins. L’intensité sonore reçue diminue donc avec la distance, et le niveau d’intensité sonore diminue avec elle. Sur le trottoir, $74\ \text{dB}$ se situe entre le repère de l’aspirateur ( $70\ \text{dB}$ ) et le seuil de risque ( $85\ \text{dB}$ ), sous ce seuil. Le passant n’est donc pas exposé au même risque que l’agent : le niveau reste sous le seuil de risque, et il ne fait que passer. Le bruit peut le gêner, mais d’après l’échelle, ce niveau ne présente pas de risque pour son audition.

5. Non. Le niveau passe de $74\ \text{dB}$ à $77\ \text{dB}$ : il n’augmente que de $3\ \text{dB}$ , alors que l’intensité sonore a doublé. S’il doublait, il atteindrait $2 \times 74\ \text{dB} = 148\ \text{dB}$ , bien au-delà du seuil de douleur, pour deux appareils situés à $15\ \text{m}$ : ce serait absurde. L’échelle des niveaux d’intensité sonore n’est pas proportionnelle à l’intensité sonore : quand l’intensité sonore double, le niveau ne gagne que quelques décibels. C’est ce qui permet de ranger sur une même échelle, de $0\ \text{dB}$ à $120\ \text{dB}$ , des intensités sonores qui vont de un à mille milliards.

Réflexe à retenir : pour exploiter une échelle de niveaux d’intensité sonore, on situe la valeur entre deux repères, puis on la compare aux seuils. Et deux niveaux en décibels se comparent, ils ne se multiplient pas.

Je l’ai réussi (ta coche reste enregistrée sur cet appareil)

Les trois réflexes à retenir

Une période se mesure sur plusieurs motifs. On repère deux points identiques du motif, on compte les motifs entiers qui les séparent et on divise leur durée par ce nombre. La fréquence suit, avec $f = \dfrac{1}{T}$ et $T$ en secondes.
Fréquence et amplitude ne disent pas la même chose. La fréquence fixe la hauteur, grave ou aiguë ; l’amplitude renseigne sur l’intensité sonore, donc sur le niveau en décibels. Un son plus fort n’est pas plus aigu pour autant.
Un niveau en décibels se situe, puis se compare aux seuils. À partir d’environ $85\ \text{dB}$ , une exposition prolongée peut abîmer l’audition ; vers $120\ \text{dB}$ , le son devient douloureux. Et doubler l’intensité sonore n’ajoute que quelques décibels.

Exercices corrigés — Émission et perception d'un son

Émission et propagation d'un son

Hauteur, timbre et niveau d'intensité sonore