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ACOUSTIQUE Qu'est ce que l'acoustique ? I LE SON

1° Expériences

Le diapason est au repos Ecartez la lame de sa Mettez en marche ainsi que la boule. position d'équilibre. le GBF Frapper une branche du diapason

2° Détection des sons a) La pression acoustique

Le haut parleur excité par le GBF produit une vibration mécanique émettrice de son. Le son résulte de mouvement vibratoire des molécules d'air, ce qui entraîne une modification de la pression atmosphérique P0 dans les couches d'air voisines. Cette variation de pression se propage et constitue le signal acoustique La pression résultante P en un point de l'espace environnant est : P = P0 + Pa Pa représente la pression acoustique en Pascal. Ordre de grandeur : lorsqu'une personne parle, Pa = 1/106 de la pression atmosphérique.

b) Expérience Le son est recueilli par un microphone relié à un oscisortie du microphone.

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lloscope. Eloigner le microphone du HP et observer la ddp à la

c) Graphe de pression Le microphone transforme le signal sonore en signal électrique, donc la courbe représente aussi la variation de pression en fonction du temps.

3° Son pur

a) Définition

b) Fréquence – hauteur d(m)

t(s)

c) Intensité 2° Son complexe

a) Définition

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b) le timbre

3° Les bruits Ils ne peuvent être représentés par une loi bien définie. Un bruit produit une sensation auditive considérée comme désagréable ou gênante.

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II PROPAGATION DU SON

1° ExpérienceOn dispose une sonnerie et une source lumineuse à l'intérieur d'une cloche dans laquelle on a fait le vide. 2° Interprétation

3° Célérité du son

Milieu c (m/s) Air à 0°C 331,2 Bois Air à 20°C 343,5 Béton Air à 100°C 388 BriqueEau à 8°C 1435 CaoutcEau à 15°C 1447 Acier Eau à 20°C 1565 CuivreAlcool à 15°C 1275 QuartzMercure à 20°C 1565 Terre oLiége 450 à 500 Roches

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Milieu c (m/s) 1000 à 2000 3500

2500 houc 40 à 150

5000 3500 , verre 4000 à 6000 u sable 2000 à 3000 compactes 5000 à 6000

4° Longueur d'onde

5° Propriétés Les propriétés des ondes sonores sont les mêmes que les ondes étudiées dans les chapitres précédents.

a) Réflexion

b) Diffraction

Le phénomène de diffraction consiste en un contournement des obstacles par les ondes. Ce phénomène est important si les dimensions des obstacles sont inférieures ou de l'ordre de la longueur d'onde λ. Le phénomène est négligeable si les dimensions des obstacles sont grandes devant λ.

c) Distance entre des points vibrant en phase ou en opposition de phase

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d) Interférences

III RECEPTION DU SON

1° L’oreille

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2

L'organevariationchaîne d Détermi

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° Fonctionnement

essentiel est le tympan, membrane mince élastique qui obture le conduit auditif. Il est sensible aux s de pression. Les variations de pression reçues par le tympan sont transmises à la fenêtre ovale grâce à la es osselets.

3° Audiométriener à l'aide d'un GBF relié à un HP la plage de fréquence audible.

L'étude métrologique de l'audition permet de tracer l'audiogramme.

Un son

intra-s

5° Inte Dans l On appCette in

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Le nive

trop faible n'est pas perçu, mais un son trop fort provoque une gêne, voire une douleur. 4° Hauteur d'un son : fréquence du son

ons sons graves médiums sons aigus ultrasons

20 Hz 400 Hz 1500 Hz 16000 Hz

fréquences audibles

nsité acoustique d'un son

'air, l'intensité acoustique sonore est définie par : I : intensité sonore (W/m²) Pe : puissance sonore ( W ) S : aire de la surface ( m² ) elle intensité sonore de référence, l'intensité sonore I0 = 10-12 W/m². tensité correspond au seuil d'intensité sonore perceptible à l'oreille.

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6° Niveau sonore : Loi de Weber Fletcher au sonore d'un son de fréquence f = 1000 Hz est défini par :

N = N : niveau sonore (dB) I : intensité acoustique (W/m²)

I0: intensité acoustique de référence I0 = 10-12 W/m² : seuil d’intensité de l'audition humaine.

N : niveau sonore (dB) N = P : puissance acoustique ( W)

P0: puissance acoustique de référence P0 = 10- sance acoustique de l'audition humaine 16 W : seuil de puis

7° Exemple de niveaux sonores

Compléter le tableau ci-dessous.

I W/m²

dB Impression subjective Conversation

Nature des bruits

Destruction

102 de l’oreille

Impossible

Bruits

120 supportables Ateliers

pendant un court Bruyants

instant seulement

10-2 En criant

90 Bruits très

10-4 pénibles Difficile

70 Bruits Télévision

10-6 supportables A voix forte Trafic dans la rue

50 Bruits A voix Appartement10-8 courants normale en ville

30 Calme Rés. campagne

10-10 Très calme A voix Studio 10 Silence chuchotée Laboratoire

10-12 0 anormal d’acoustique

8° Applications

Quelle est l'intensité sonore d'un son de niveau 30 dB ? Que devient le niveau si l'intensité sonore double ? IV ABSORPTION ACOUSTIQUE

1° Coefficient d'absorption L'expérience montre que l'énergie I4 onde paroi I3 onde transportée par l'onde sonore réfléchie réfractée incidente n'est pas totalement réfléchie par une paroi. On dit que la réflexion est partielle. Il y a aussi réfraction et absorption dans et par le matériau de la paroi. I1 onde Une partie de l'énergie est transmise incidente de l'autre côté. I2 onde absorbée I1 :Intensité de l'onde incidente I2 :Intensité de l'onde absorbée α = 1 pour une ouverture béante de 1 m².

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2° Temps de réverbération (loi de Sabine)Le temps de réverbération T est le temps que met un son à s'atténuer de 60 dB dans un local fermé; pour une bonne intelligibilité des paroles, ce temps doit être compris entre 0,5 et 0,7 s; si T < 0,5 s le local devient sec ou sourd, si T > 0,7 s alors le local devient réverbérant (cathédrale). V : volume du local en m3 αS: pouvoir absorbant des surfaces en m² αn: pouvoir absorbant des éléments contenus dans ce local 3° ExerciceDéterminer le temps de réverbération d'une salle de cours dont les caractéristiques sont les suivantes pour une fréquence de 500 Hz, salle non-occupée et salle occupée α = 0,4 (debout) et α = 0,31 (assis). Dimensions de la salle en mètres : 9 m,7 m,3 m Revêtements : plafond : plâtre peint α = 0,02 mûrs : plâtre peint α = 0,02 vitrage : 15 m² α = 0,03 sol : dalles thermoplastiques α = 0,04 Mobilier : 16 tables : α = 0,025 33 chaises α = 0,03 1 bureau : α = 0,03 On recalculera ces temps si on change le matériau du plafond en mettant un plafond permacoustic. α = 0,078 IV LES APPAREILS ACOUSTIQUES 1° Les microphones On distingue trois grandes classes de microphones: * les microphones dits à pression, dans lesquels l'une des faces de la membrane est isolée de l'air ambiant. Cette membrane devient sensible à la variation de pression produite par une onde acoustique, quelle que soit la direction (microphone non-directionnel). * les microphones dits à gradient de pression dont la membrane est libre sur ses deux faces. La force qui s'exerce normalement sur cette membrane est nulle lorsque l'onde acoustique se propage parallèlement au plan de la membrane (microphone bidirectionnel). * les microphones mixtes qui sont une combinaison des deux classes précédentes. 2° Le sonomètreUn sonomètre est un instrument conçu pour répondre au son approximativement comme l'oreille, mais qui donne des mesures objectives et reproductibles du niveau acoustique. Il est composé: * d'un microphone * d'une unité de traitement * d'un affichage en dB VI EXERCICES 1° Un enfant lance dans la mer un caillou, du haut d'une falaise de hauteur 200 m sans vitesse initiale. a) Quelle est la vitesse du caillou lorsqu'il touche l'eau ? b) Quel temps s'écoule t-il entre le moment où l'enfant lâche le caillou et l'instant où il entend le choc ? On prendra g = 10 m/s² et c = 340 m/s. 2° Une onde sonore est émise à 4 m au dessus de la surface de l'eau. Au bout de combien de temps atteindra-t-elle le fond de l'eau situé à 10 m de la surface ? cair = 340 m/s ; ceau = 1500 m/s.

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3° L'oscillogramme ci-dessous est celui d'un diapason en vibration. a) Déterminer la période et la fréquence du son émis. Echelle 1 ms / div b) Quelle est la longueur d'onde de ce son ? cair = 340 m/s c) Représenter l'oscillogramme d'un second diapason émettant un son de même intensité que le premier de fréquence deux fois plus faible. 4°a) Déterminer la période sachant que la fréquence d'un son émis est de 440 Hz. b) Déterminer la longueur d'onde du son émis sachant que la célérité du son est c = 340 m/s. c) Le même microphone reçoit maintenant un son de même intensité mais de fréquence deux fois plus grande. Le son obtenu est il plus grave, inchangé ou plus aigu que le premier ? 5° A l'aide d'un microphone relié à un oscilloscope, on étudie un son. On obtient sur l'écran cette courbe périodique. La base de temps pour l'obtention de cette image étant réglée sur 0,20 ms/cm a) calculer la période de ce son b) calculer la fréquence de ce son. c) Calculer la longueur d'onde λ, dans l'air, sachant que la célérité du son dans l'air, dans les conditions de l'expérience, est v = 330 m/s. 6° Un navire est muni d'un sonar capable d'émettre et de détecter des ultrasons de longueur d'onde comprise entre 1 et 10 cm. a) il émet vers le fond un signal bref . Celui ci est détecté au bout d'un temps t = 0,25 s après son émission. La célérité du son dans l'eau de mer est c = 1530 m/s. Calculer la profondeur h de la mer à l'endroit où se situe le navire. b) Un dauphin émet des ultrasons de fréquence comprise entre 16 000 Hz et 100 000 Hz. Calculer les longueurs d'onde limites correspondantes. L’animal pourra t il être détecté par le sonar navire ? 7° On considère une source sonore ponctuelle, située en un point S, qui émet, à l'instant t = 0, un signal très bref avec une puissance P = 5 x 10-3 W. Le son se propage à la vitesse v = 330 m/s, dans toutes les directions. a) Donner la formule de l'intensité acoustique du signal, à l'instant t. Quelle est l'unité de mesure de I ? Justifier. b) Calculer l'intensité acoustique à l'instant t = 0,03 s.

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8° Pour déterminer la bande passante d'une enceinte, on utilise la courbe de réponse en fréquences celle-ci, délivrée par le constructeur.

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Déterminer : a) le niveau d'intensité acoustique maximum Lm en décibels (dB), b) la fréquence inférieure fi correspondant au niveau Li égal à (Lm - 5 dB), c) la fréquence supérieure fs correspondant au niveau sonore Ls égal à (Lm - 5 dB). d) En déduire la bande passante de l'enceinte moins 5 dB. a) Calculer l'intensité acoustique I de l'enceinte à la fréquence de 1 kHz, sachant que le niveau sonore L, à 1 kHz, est de 96 dB. 9° Une oreille moyenne ne peut percevoir une onde sinusoïdale7.10-2 s. a) Calculer la fréquence la plus basse et la fréquence la plus hauteb) Calculer les longueurs d'ondes correspondantes dans l'air où la c) Dans la zone de sensibilité maximale de l'oreille, au voisinage dpuissance sonore Pa = 10-16 W et la sensation douloureuse apparaîPd = 10-4 W. Le niveau d'intensité sonore L exprimé en dB, est donné par la loi

L = 10 log ( P10-16)

Calculer le niveau d'intensité sonore pour le seuil de douleur. 10° Dans un atelier, le niveau d'intensité acoustique L est de 100 d a) Calculer la puissance acoustique correspondante, en utilisant lab) Les conditions de travail dans cet atelier sont elles satisfaisantec) De combien doit on réduire la puissance P pour parvenir à un n 11° On étudie le son émis par une machine en fonctionnemensupposée ponctuelle. a) Le son émis a une fréquence f = 1500 Hz et une célérité c = 34Calculer: - sa période T - sa pulsation ω - sa longueur d'onde λ b) Calculer l'aire S de la surface sphérique à 1 m de la source sonoc) En prenant S = 13 m² calculer l'intensité acoustique I en W/ msonore de cette source est P = 5 W. d) Avec une assez bonne précision, on peut considérer que l'ifonction de l'intensité acoustique I du son par la formule suivante ϕ = 10 log (I) + 120 (ϕ en dB et I en W/m²). Calculer, dans ces conditions, l'intensité physiologique du son à 1Que pensez vous de cette valeur ?

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que si sa période est comprise entre 5.10-5 s et

perceptibles par l'oreille. célérité du son est c = 340 m/s. e 3 000 Hz, le seuil d'audibilité correspond à une t lorsque la puissance acoustique atteint la valeur

Weber - Fechner suivant la relation

B.

même loi que dans l'exercice précédent. s ? iveau d'intensité sonore égal à 60 dB ?

t. La source sonore, de petites dimensions, sera

0 m / s.

re centrée en ce point. ² du son à 1 m de la source lorsque la puissance

ntensité physiologique ϕ du son est donnée en :

m de la source.

12° Pour l'assemblage des différents éléments

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des bagages, la société « SAMINS » utilise le procédé de soudure par ultrasons. a) Dans quelle zone de fréquences sont situées les vibrations audibles ? b) À partir de quelle fréquence, une onde fait elle partie des ultrasons ? c) On visualise sur l'écran d'un oscilloscope les vibrations émises par un diapason et captées par un micro M1. Le balayage est réglé sur 2 ms par cm. Trouver : - la période et la fréquence du son émis, - sa longueur d'onde λ sachant que la célérité du son dans l'air est: c = 340 m/s. d) On visualise maintenant à l'oscilloscope les vibrations émises par le même diapason et captées par deux micros M1 et M2. Le diapason et les deux micros sont alignés (dans l'ordre diapason, M1, M2). Chaque micro est relié à une des voies de l'oscilloscope. Les deux courbes observées sont elles en phase ou en opposition de phase ? • Quelle est, dans ce cas, la distance minimale d séparant les deux micros M1 et M2, sachant que pour des signaux en phase : d = k x λ, • pour des signaux en opposition de phase d = (2k + 1) λ/2 avec k entier relatif. 13° Les normes de protection contre le bruit admettent une exposition maximale de 40 heures à un bruit de niveau d'intensité acoustique LI = 85 dB. Si ce niveau augmente, il faut réduire la durée maximale d'exposition au bruit en fonction du niveau. La courbe ci-dessous donne la durée maximale d'exposition t en fonction du niveau LI. a) Un groupe de « rock » diffuse un concert dont le niveau d'intensité acoustique est de 110 dB, dans la zone réservée au public. Déterminer la durée maximale d'écoute de manière à respecter les normes de protection. b) Au poste de travail d'une unité de production, un opérateur est soumis à un niveau d'intensité acoustique LI pendant une durée t. Y a t il respect des normes dans les deux cas suivants ? * LI = 90 dB pendant 10 h. * LI = 105 dB pendant 1 h. Justifier votre réponse à l'aide d'une phrase. c) On se propose de calculer l'énergie W reçue par l'oreille lorsque celle-ci est soumise à un bruit de niveau d'intensité acoustique LI = 85 dB pendant 40 heures. Calculer * L’intensité acoustique I correspondante. * La puissance acoustique P reçue par l'oreille, équivalente à une surface S = 8 x 10-5 m². * L’énergie W reçue par le récepteur pendant cette durée (W = P x t).

14° Un pont roulant et son chariot élévateur sont assimilés à une source sonore ponctuelle émettant un son pur, Le son émis a une puissance de 0,8 X 10-3 W et se propage dans toutes les directions de l'espace. On désire calculer le niveau acoustique à 10 m de cette source. a) Calculer l'aire S d'une sphère de 10 m de rayon et calculer l'intensité acoustique I à 10 m de la source. b) En déduire le niveau d'intensité acoustique L à cette distance de la machine. c) L’ouvrier utilisant ce pont roulant porte un casque antibruit, ce qui lui permet de travailler sans subir de gêne sonore. Ce casque antibruit permet de ne ressentir que l'équivalent d'un niveau sonore de 45 dB. Le chef d'atelier reçoit un visiteur qui ne désire pas porter ce genre de casque, malgré les règles de sécurité. * Quelle est la nouvelle intensité acoustique F correspondante à ce niveau de 45 dB ? * À quelle distance de cette machine doit se tenir le visiteur pour avoir le même confort sonore que l'ouvrier qui travaille sur cette machine en portant le casque antibruit ? 15° Une machine à commande numérique en fonctionnement est une source sonore. On l'assimile à une source ponctuelle émettant un son pur. Le son émis est capté par un microphone relié à un oscilloscope. Un oscillogramme ci-après représente l'enregistrement de la vibration sonore. a) Déterminer pour ce son émis * Sa période T et sa fréquence f en utilisant l'oscillogramme. * Sa longueur d'onde λ sachant que la célérité du son dans l'air est c 340 m/s.

vitesse de balayage 0,2 ms par cm. b) Les différentes vitesses de balayage de l'oscilloscope sont entre autres : 10 - 20 et 50 µs par cm puis 0,2 - 0,3 - 0,5 - 1 ms par cm. On désire observer une période complète sur toute l'étendue de l'oscillogramme. Donner la vitesse de balayage à choisir. c) La machine émet un signal bref de niveau d'intensité sonore L = 70 dB à 10 mètres. Calculer l'intensité sonore I du son émis. d) Calculer la puissance acoustique P de la machine sachant que l'ensemble des points atteints par le signal sonore d'intensité L = 70 dB sont situés sur une sphère de rayon R = 10 m.

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