Dossier physique chimie sur les ondes sonores

Exposé Son

Introduction

Le son est une  vibration mécanique d'un fluide, qui se propage sous forme d'ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide. Les êtres humains, comme beaucoup d'animaux, ressentent cette vibration grâce au sens de l'ouïe dont nous parlerons dans le dernier chapitre de l’exposé.

Mais dans un premier temps, nous allons parler des caractéristiques physiques du son, et nous allons expérimentalement en donner une approximation de la vitesse dans l’air.

1. Déterminer la vitesse du son dans l’air?

1. Explication de la méthode

Principe : mesurer le temps que met le son à parcourir une distance prédéfinie, puis utiliser la formule vitesse = distance/temps

• On place deux détecteurs de son à une distance précise l’un de l’autre
• On place une source de production de son au niveau de chacun des détecteurs
• Chaque détecteur est muni d’un chronomètre qui doit être suffisamment précis par rapport à la vitesse du son (voir les Note1 et Note2 plus bas)
• on produit un premier son S1 au niveau du détecteur D1 (par exemple un claquement de main qui doit être détectable par les 2 détecteurs) qui déclenche le chronomètre de D1 instantanément. Le chronomètre du détecteur D2 va se déclencher avec un retard Δt correspondant au temps que met le son S1 à lui arriver.
• On produit plus tard un son S2 au niveau du détecteur D2. Le chronomètre de D2 va s’arrêter instantanément. Il s’est déclenché Δt plus tard mais s’arrête immédiatement. Le détecteur D1 qui s’était déclenché immédiatement va s’arrêter un temps Δt en retard.
• Nous avons donc D1 qui mesure un temps avec Δt de moins et D2 qui mesure un temps avec Δt de plus. La différence entre les chronomètres de D1 et D2 est donc de 2 Δt. Il suffit de la diviser par 2 pour connaître le temps que met le son pour aller de D1 à D2.

Note1 : Si la vitesse du son est en centaine de mètres par seconde, il faut soit une distance d’une centaine de mètres entre les détecteurs et un chronomètre précis à la seconde, soit une distance de l’ordre du mètre et un chronomètre précis au moins au centième de seconde. Ici nous aurons des chronomètres précis au millième de seconde

Note2 : Il faut aussi que chaque détecteurs ait une vitesse de réaction stable. Si un détecteur a une incertitude de plus d’une centième de seconde sur son temps de réaction alors les mesures sont faussées.

1. Expérience

Nous avons téléchargé l’application PhyPhox (Phy.sical Pho.ne e.X.periments) sur la tablette fournie par l’école et sur un smartphone.

Cette application a plusieurs sections :

• Données brutes des capteurs
• acoustique
• vie quotidienne
• mécanique
• minuteurs
• Outils

Nous allons choisir le minuteur acoustique → sous menu « simple ».

Il est aussi possible de choisir le menu « séquence » pour effectuer des mesures à la chaîne.

Il y a deux réglages à effectuer.

Le seuil : dans un environnement avec un bruit de fond il faut augmenter le seuil de détection pour que les chronomètres ne se déclenchent pas intempestivement par exemple dès qu’une moto accélère sur une autoroute distante mais avec un bruit plus élevé que le seuil. Il ne faut pas trop augmenter le seuil de détection sinon il faut un coup de fusil plutôt qu’un claquement de main pour déclencher les  chronomètres.

Le délai minimum : c’est un délai minimum à respecter avant de considérer un évènement nouveau. En effet, dans un environnement clos, les murs peuvent réfléchir le son et si le délai minimum est trop bas, les chronomètres peuvent déclencher au son du signal et de sa réflexion sur les murs.

Nous n’avons pas eu besoin de modifier les valeurs par défaut de ces deux paramètres de réglage.

L’application phyphox a été développé au « 2nd institue of Physics of RWTH Aachen University ». Son code source est disponible et protégé selon les dispositions du GNU General Public License.

Des exemples d’expérience sur la chute libre ou la vitesse d’un ascenseur et les détails de mise en oeuvre sont disponibles sur http://phyphox.org/experiments.

1. Résultats de l’expérience

[pic 1]

1. Interprétation

Nous avons fait 10 mesures.

Sans doute il aurait été judicieux de faire plus de mesures mais pour cause de grippe, cela n’a pas été possible.

En effet, en appliquant les méthodes statistiques appris en cours de mathématiques, on constate un écart type de 57 km/h pour une moyenne de vitesse de 336 km/h. L’écart type étant l’écart moyen à la moyenne, l’écart type d’une valeur de 1/6 de la moyenne indique une grande dispersion des valeurs mesurées.

Il est pourtant assez étonnant de voir que nous ne sommes pas si loin de la valeur plus précisément mesurée par les scientifiques 343 km/h à une température de 20 degrés Celsius et que l’on a noté dans la table ci-dessous (source wikipédia).

[pic 2][pic 3]

La vitesse du son ou célérité du son est la vitesse de propagation des ondes sonores. L'étude de la propagation du son dans l'air s'est étendue à d'autres milieux, gazeux, liquides ou solides. On parle de vitesse du son dans toute sorte de matériaux où nulle oreille ne peut l'entendre, dès lors qu'une vibration s'y transmet.

La vitesse du son dépend fortement de la température ; la formule en donne une approximation dans l'air en m/s, avec la température en kelvins.[pic 4]

Dans la plupart des fluides, et notamment dans l'air, elle dépend très peu de la fréquence et de l'amplitude de la vibration, caractéristiques dont nous parlerons dans la prochaine section.

1. Qu’est-ce que la période, la fréquence, l’amplitude

Un son est une vibration qui se propage sous forme d’onde. Les ondes se caractérisent en général par leur fréquence et leur amplitude que nous allons étudier dans cette section sur quelques exemples.  

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