Chapitre 2 : l’échelle des longueursterminalesmermoz.free.fr/Cours/C2.pdf · guitare classique, L 2 = 52 dB pour la guitare folk. Document 3. "La voix et l'oreille" des mammifères

Terminale S Thème Observer Chap.2 Programme 2012

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Chapitre 2 : Caractéristiques des ondes

Introduction :

https://fr.khanacademy.org/science/physics/mechanical-waves-and-sound/mechanical-

waves/v/introduction-to-waves

1) Qu’est-ce qu’une onde progressive ?

1.1. Présentation : Le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu est appelé onde progressive

Certaines ondes ont besoin d’un milieu pour se propager : les ondes MECANIQUES :

D’autres se propagent dans le VIDE :les ondes ELECTROMAGNETIQUES ( ex : rayon X..):


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Une onde se propageant dans une seule direction est appelé : onde progressive à une dimension.

Ondes sismiques :

1.2. Vitesse de propagation( célérité)

* La vitesse de propagation v, ou célérité, d’une onde , est le rapport de la distance d = AB qu’elle parcourt par la durée Δt = - nécéssaire pour parcourir cette distance :

V =

v en m.

d en m et Δt en s * On peut aussi dire que la perturbation

observée en A ,arrive en B avec un RETARD τ , ce

retard correspondant à la durée mise par l’onde pour se propager de A à B :

τ =

=

τ en s

Si la déformation du milieu est parallèle au

déplacement de l’onde, on parle d’onde

longitudinale.

Si la déformation du milieu est perpendiculaire

au déplacement de l’onde, on parle d’onde

transversale Si Si la déformation du milieu est perpe


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2) Qu’est-ce qu’une onde progressive périodique ?

2.1. Définitions :

2.2. Double périodicité :

Une onde progressive présente une double périodicité :

Périodicité TEMPORELLE :

Observons la manière dont vibre le point M au cours du temps

Le point M vibre à la même fréquence que le vibreur 2 maximums de l’onde sont séparés par une

période

La période TEMPORELLE de l’onde se note T ( en secondes) : il s’agit du temps au bout duquel ,l’onde se

retrouve dans le même état vibratoire. On définit la fréquence : f=

f en Hertz ( Hz)

Périodicité SPATIALE :

Observons l’état vibratoire de TOUS les points à un instant donné :

Une onde progressive est PERIODIQUE ,lorsqu’elle

se reproduit identiquement à elle-même , a

intervalles de temps égaux appelés PERIODE et

notés T.

La fréquence f correspond aux nombres de périodes par seconde.

Une onde progressive est SINUSOÏDALE lorsque

l’élongation de tout point du milieu de

propagation est une fonction sinusoïdale du

temps :

x(t) = .cos (

: élongation maximale en m

T : période en s

Ф : phase à l’origine déterminée par les

conditions initiales.


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Tous les points séparés par une même distance vibrent Lorsque l’on déplace le récepteur d’une

distance

de la même manière : ils sont en PHASE donnée, les 2 courbes se superposent à

nouveau

La période SPATIALE de l’onde se note λ :c’est la plus petite distance qui sépare 2 points du milieu qui

subissent la même perturbation. Elle se mesure en mètres.

3) Quelles sont les caractéristiques des ondes sonores et ultrasonores ?

3.1. Perception d’un son

La perception d’un son dépend par l’oreille humaine dépend, de sa fréquence, de son niveau

sonore…et de son âge.

Exercice 1 et 2:


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L’oreille humaine perçoit des sons compris entre 20 Hz et 20000 Hz

Exercice 3 et 4:


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3.2. Le spectre d’un son

Exemple :

Cette analyse permet de caractériser :

La HAUTEUR du son , liée à la fréquence du fondamental

Le TIMBRE du son , lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques.

La hauteur d’un son est la qualité qui distingue un son aigu d’un son grave. Par exemple, la note la3

(444 Hz) a la même hauteur, qu’elle soit jouée par une flûte ou un piano. Le timbre du son permet

de reconnaître l’instrument qui joue la note.

Le son produit par un instrument de musique

est PERIODIQUE mais pas SINUSOIDAL : Joseph

FOURRIER ( mathématicien français) a montré

en 1822, que tout signal périodique de

fréquence f1, peut être décomposé en une

somme de signaux sinusoïdaux de fréquence

fn , multiples de f1.

Ces signaux sinusoïdaux sont appelés

HARMONIQUES , alors que le signal sinusoïdal

de fréquence f1 est appelé FONDAMENTAL.

Le spectre en fréquence est la représentation

graphique de l’amplitude de ses composantes

sinusoïdales en fonction de la fréquence.


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Exercice 5 : QCM

Un haut- parleur produit successivement 3 sons qui sont enregistrés par un ordinateur équipé d’un

microphone et dont on peut visualiser les tensions u1, u2 et u3 :


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Exemples :

Expérience :

On joue une note avec une guitare et la même note avec un piano. A l’aide d’un dispositif d’acquisition,

on observe l’oscillogramme de ces deux notes sur l’écran d’un ordinateur.

On se rend compte à l’oreille que le son produit par chacun de ces instruments est différent, mais on

reconnaît facilement qu’il s’agit de la même note (même hauteur).

Exercice 5:

1 carreau 1,0 ms

Guitare Piano

Figure 11 : oscillogrammes

1

2

amplitude

3

0 1000 2000 3000

Fréquence

(Hz)

1

2

amplitude

3

0 1000 2000 3000

Fréquence

(Hz)

Questions :

a) Parmi ces deux spectres, déterminer

celui qui correspond

à une note joué par un diapason.

b) L’autre spectre correspond à une note

joué par un violon.

Ce son a-t-il le même timbre que celui

du diapason ? Justifier.

c) Ces deux sons ont-ils la même

hauteur ? Justifier.


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3.3 Le niveau sonore L ( de l’anglais Level) :

Le niveau sonore L est une grandeur sans unité qui peut être calculée par :

L = 10.log

) L : niveau sonore en Décibel ( dB)

I en W/ et Io = W/

« Log » signifie logarithme décimal (touche Log de la calculatrice )

L’oreille humaine n’a pas la même sensibilité pour toutes les fréquences audibles

Exercice 6:


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Lorsqu’il y a plusieurs sources sonores simultanées, on additionne L’INTENSITE et pas le NIVEAU

SONORE :

= 10.Log(

)

Exemple : Si une pièce comporte 1 source sonore, le niveau sonore est L

Si cette pièce comporte 2 sources identiques son niveau augmente de 3 dB ( L+3)

« « 10 « « 10 dB ( L+10 )

Les fréquences audibles par l’oreille humaine sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz.


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Pour un son de 1000 Hz, le seuil d’audibilité est de Io = W/ , ce qui correspond à un niveau

sonore de 0 dB

Un son de 100 Hz et de niveau sonore 60 dB procure la même sensation auditive qu’un son de

500Hz et de 40 dB

La sensation maximale de l’oreille se situe vers 4000 Hz


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Rem : ATTENTION : l’audition de sons d’intensité trop élevée peut entraîner ‘’l’arrachement’’ des cellules

ciliées de l’oreille interne.

Ces cellules ne ‘’repoussent’’ pas.

Comme ces cellules sont ‘’accordées’’ (par groupe) pour la réception d’une fréquence donnée : leur

disparition entraîne donc la perte IRREMEDIABLE d’audition pour cette fréquence.

IMAGE DE COLCHLEE D’UN SOURD IMAGE DE COCHLEE SAINE

Exercice 6:


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4) Exercice BAC N°2 : « La communication chez les baleines » (Bac S 2014 Nouvelle Calédonie)

Jeux, ruts, combats ou fuites, les baleines communiquent par leurs "chants". Sans cordes vocales, elles

émettent des sons par leur larynx et leur évent. Ces messages peuvent pour les grandes espèces, être

perçus à plusieurs centaines de kilomètres.

Pour communiquer entre elles, deux baleines doivent non seulement se trouver à une certaine profondeur

dans un couloir d'une hauteur de quelques centaines de mètres, mais aussi à une certaine distance l'une

de l'autre.

À partir des documents et de vos connaissances, évaluer :

1. la profondeur du couloir de communication ;

2. la distance maximale entre deux baleines pour qu'elles puissent communiquer.

L'ensemble de l'argumentation et des calculs doivent apparaitre de manière détaillée.

Document 1. LE SOFAR (SOund Fixing And Ranging), un guide d'ondes sonores

Dans les océans et dans certaines conditions, une onde sonore qui se dirige vers le haut est

ramenée vers le bas dès qu'elle parvient dans les couches supérieures où la vitesse du son est plus

grande ; à l'inverse, elle est ramenée vers le haut quand elle se dirige vers le bas dès qu'elle y

rencontre des couches inférieures où la vitesse du son est supérieure. Quand une zone respecte

ces critères, on parle de SOFAR.

Ce couloir SOFAR agit comme un guide d'ondes sonores comme illustré ci dessous.

Document 2. Cartographie de la vitesse du son en fonction de la profondeur dans l'océan


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Document 4. Absorption acoustique de l'eau de mer

5) Exercice BAC N°3 : « Guitare classique ou guitare folk ? »

Enoncé :

Une guitare possède en général six cordes, pouvant être de différents types. Les guitares classiques possèdent trois

cordes en nylon pur et trois autres en nylon et métal. Les cordes des guitares folk sont en métal, recouvertes de

bronze, d'argent ou de nickel. Les sons émis par ces deux guitares diffèrent donc largement car un son

métallique est plus riche en harmoniques qu'un son obtenu avec une corde en nylon : une même note jouée

par chaque instrument seul est ressentie différemment par un être humain.

Le soli (joué par la troisième corde frappée à vide) est ici comparé pour les deux types de guitare.

Pour chaque guitare, le son est enregistré par un microphone à l'aide d'une interface d'acquisition (Fig. 4.a et 4.b).

Le logiciel permet également d'afficher le spectre en fréquences de chaque son (Fig. 5a et 5b). Par ailleurs, un

sonomètre a permis de mesurer le niveau sonore des deux guitares à un mètre de celles-ci : il vaut L1 = 59 dB pour la

guitare classique, L2 = 52 dB pour la guitare folk.

Document 3. "La voix et l'oreille" des mammifères marins

Les cétacés produisent des émissions sonores dans une très large bande de fréquence, entre 10

Hz et 150 kHz environ. Les sons produits peuvent être de type bref (clics, tics, bourdons,...) ou

continu (sifflements, chants, mugissements).

Quelques émissions sonores de cétacés :

Fréquence moyenne

d'émission

Niveau d'intensité sonore

moyen à l'émission Seuil d'audibilité*

Baleine (chant) 4000 Hz 170 dB 50 dB

Grand dauphin (clics) 120 kHz 222 dB 40 dB

*Le seuil d'audibilité correspond au niveau d'intensité sonore minimal perceptible par l'animal.

D'après un extrait de Richardson et al, 1995, Marine mammals and noise.


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1. En analysant les deux signaux temporels, évaluer le caractère pur ou complexe des deux sons

enregistrés. Quelle est la conséquence de ce caractère sur les spectres en fréquences des deux sons ?

2. À l'aide des signaux temporels, mesurer la période T du son émis par chaque guitare. Calculer la fréquence

correspondante. Aide. 2

3. Où apparaît cette fréquence sur le spectre en fréquences de chaque son ? Comment se nomme-t-elle ?

4. Quelle caractéristique physiologique commune possèdent les deux sons ? Aide. 3

5. Qu'est-ce qui différencie les signaux temporels ? Quelle caractéristique physiologique du son cela met-il en

évidence ? À quelle phrase de l'énoncé cela se rapporte-t-il ? A

6. Comment cela se traduit-il sur le spectre en fréquence ?

7. Lequel des deux instruments est le plus riche en harmoniques ? L'énoncé est-il en accord avec le résultat

trouvé ?

8. Calculer les intensités sonores I1 et I2 correspondant respectivement aux niveaux sonores L1 et L2. Ale., 4

9. Si les deux guitares avaient joué en même temps et dans les mêmes conditions que précédemment, quel

aurait été le niveau sonore mesuré ? On fera l'hypothèse qu'en un point, les intensités sonores

s'additionnent.

Solution :

1. Ces deux sons sont complexes car les deux signaux enregistrés sont périodiques mais non sinusoïdaux. Il y

a plusieurs pics de fréquence sur chaque spectre, conséquence d'un son complexe.

Un son pur ne laisserait apparaître qu'un pic unique.

2. À partir des signaux temporels, la mesure donne pour les deux guitares :


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3. Pour chaque son, la fréquence correspondante sur le spectre est celle du premier pic.

Elle est appelée fréquence fondamentale.

4. Les deux sons possèdent donc la même fréquence. Leur caractéristique physiologique commune est leur

hauteur. Ceci est cohérent avec le fait que les deux guitares jouent la même note, définie par sa hauteur.

5. Les deux signaux temporels n'ont pas la même forme. Ils n'ont donc pas le même timbre.

L'énoncé nous renseigne sur cette différence :

Une même note jouée par chaque instrument seul est ressentie différemment par un être humain ».

6. Sur chaque spectre en fréquences, le nombre de pics et l'amplitude relative de chaque pic ne sont pas les

mêmes pour les deux sons.

C'est cette différence qui traduit un timbre différent pour les deux sons.

7. Le son le plus riche en harmoniques est celui issu de la guitare folk car son spectre possède davantage de pics de

fréquences.

Le texte nous dit : « Un son métallique est plus riche en harmoniques qu'un son obtenu avec une corde en

nylon ».

Or, toutes les cordes de la guitare folk sont en métal.

8. Par définition, les niveaux sonores s’écrivent:

9. L’intensité sonore correspondant serait donc :

TS star : Tsunami ( 15 min. )


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