TPE : Le Son

I. Qu’est-ce que le son ?

a) Caractéristique du son

Définition :

Le son est une onde dite «de compression» qui se propage sous forme de variation de pression dans un milieu. On sait qu’une onde est exprimée en fréquence, le son est donc exprimé aussi en fréquence.

La longueur d’onde :

La longueur d’onde est la distance séparant deux crêtes successives d’une onde périodique. La période est le temps minimal qui s'écoule entre deux répétitions identiques de l'onde en un même point. Pour une onde sinusoïdale, la longueur d'onde est la distance entre deux pics successifs de même signe.

La fréquence et hauteur :

Plus la fréquence sonore est faible, plus le son est grave et donc la période est plus longue. Au contraire, plus la fréquence sonore est élevée plus le son est aigu et la période courte.

On peut parler de hauteur quand on parle de son aigu ou grave.

Remarque :

La relation qui relie la fréquence et le temps d’une période est la suivante : f=1/t avec la fréquence f en Hz et le temps d’une période noté t en secondes.

Le spectre sonore humain est compris entre 15 Hz et 20 kHz. En dessous de 15 Hz on parle d’infrasons, au-dessus de 20 kHz, on parle d’ultrasons.

Amplitude et intensité :

L’intensité est aussi appelée force et correspond à la caractéristique qui permet de distinguer un son faible d’un son fort. Elle est mesurée en décibels (noté dB) ou en watts/m².

• l'amplitude moyenne (la valeur moyenne du signal positif)

• l'amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)

• l'amplitude crête (maximale positive)

• l'amplitude crête à crête (l'écart maximal d'amplitude positive et négative)

b) Déplacement du son

La vitesse du son :

Le son a une vitesse qui varie en fonction du milieu de propagation, c'est-à-dire en fonction du type (air, eau, métal…), de sa température, de sa densité et de son état (solide, liquide ou gaz). Il faut aussi savoir que le son ne se déplace que dans des milieux matériels, continus et élastiques, et donc ne se déplace pas dans le vide.

Remarque :

Un milieu élastique est un milieu qui peut s’étendre et revenir à sa position initiale, c'est-à-dire tous les milieux à part le vide.

On a voulu mesurer par nous même la vitesse du son dans l’air

Protocole de l’expérience :

On branche l’émetteur au canal 1 de l’oscilloscope et le récepteur au canal 2 de l’oscilloscope.

On met l’émetteur sur une position qui envoie des salves d’ultrasons au lieu d’envoyer des ultrasons en continu (cela permet de voir quand commence le signal sur l’oscilloscope et ainsi avoir deux repères précis : début de l’émission et début de la réception).

Il faut bien entendu régler l’échelle du temps sur l’oscilloscope pour avoir le résultat le plus précis possible.

Résultats :

- Pour 5 cm d’espace entre l’émetteur et le récepteur le son met 370 µs

On applique la relation v=d/t avec v la vitesse en m/s, d la distance en m et s le temps en seconde.

5x10^(-2)m/3,7*10^(-4)s = 135 m/s

- Pour 10 cm le son met 415 µs :

1*10^(-1)m/4.15*10^(-4)s = 240 m/s

- Pour 20 cm le son met 800 µs :

2*10^(-1)m/8*10^(-4)s = 250 m/s

On peut remarquer que les chiffres ne sont pas proportionnels. En effet on a déduit de ces résultats que plus la distance entre l’émetteur et le récepteur est grande plus la valeur expérimentale est proche de la valeur théorique et donc de la vitesse du son dans l’air.

On en a conclu que pour s’approcher le plus près de la valeur théorique il faut espacer le plus possible l’émetteur du récepteur ; on pense que le facteur limitant vient de la précision des instruments à courte distance.

Ainsi la vitesse du son dans :

- l’air est de 334 m/s et non pas de 250 m/s

- l’acier est de 5050 m/s

Le mur du son :

Intéressons-nous au mur du son, phénomène physique bien connu des pilotes d’avions de chasse. Pour comprendre ce phénomène nous allons étudier trois cas :

- le cas d’un avion en vitesse subsonique (en dessous de la vitesse du son). L’avion crée régulièrement des ondes sonores liées à son déplacement qui se propagent dans toutes les directions à la vitesse de 344 m/s dans l’air à température ambiante. Il ne rattrape pas ses propres ondes sonores. Plus concrètement on entend l’avion avant qu’il passe au-dessus de nous.

- le cas d’un avion à vitesse transsonique (= la vitesse du son). L’avion «surfe» sur les ondes sonores qu’il émet. Donc on n’entend pas l’avion à l’avance mais au moment même où il passe au-dessus de nous.

- le cas d’un avion à vitesse supersonique (vitesse plus grande que celle du son). L’avion a dépassé les ondes sonores qu'il émet, on n'entend l'avion qu'après son passage accompagné d'un grand bruit.

Le fameux bang vient du fait qu'il se produit un phénomène de concentration de l'onde de surpression qui provoque une onde de choc. Un des grands préjugés du mur du son est que l'on entend ce bang qu'au moment où l'avion dépasse la vitesse du son alors que le phénomène est constant tant que l'avion est en vitesse supersonique.

c)Comportement

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