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224.03 : Emission, propagation et réception (SL2) Cours 1-5

Son et Lumière Leçon N°3 Le Son : Emission, propagation et Réflexion

Introduction : L’objectif de cette séquence de cours est la présentation de la :

- Formation, - Propagation, - Réception d’une onde sonore (ou son).

Pour cela, nous allons effectuer dans un premier temps une courte étude d’un haut parleur (expérience et étude de fonctionnement), mais aussi une courte étude de l’oreille humaine et du microphone. Nous verrons aussi l’utilité d’un milieu naturel pour la transmission des ondes sonores. Remarque : Au cours de cette leçon, nous ne nous attarderons pas (encore) sur les caractéristiques d’une onde sonore (intensité, fréquence,…) que nous aborderons dans un deuxième temps.

1. Emission d’un son

1.1- Le haut parleur : présentation

1.2- Le haut parleur : principe de fonctionnement

1.3- Les autres émetteurs de son

2. Propagation d’un son

2.1- Nécessité d’un milieu matériel

2.2- Vitesse du son en fonction du milieu 2.3- Atténuation d’un son

3. Réception d’un son

3.1- L’oreille humaine 3.2- Le microphone

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1. Emission d’un son Afin d’étudier l’émission d’une onde sonore, nous allons évoquer l’exemple simple d’un haut parleur relié à une source de tension alternative de basse fréquence (GBF).

1.1- Le haut parleur : présentation

Expérience : L’expérience consiste ici à envoyer un signal sinusoïdal vers un haut parleur puis à observer ce qui se produit : Matériel :

- Des billes de polystyrène, - un GBF, - un oscilloscope, - un haut parleur, - des fils électriques.

Montage : On effectue le montage suivant :

Observations : Le haut parleur est posé à plat et on dispose sur la membrane les billes de polystyrènes. Lorsque l’on envoie un signal sinusoïdal, on remarque que la membrane vibre et émet un son. Lorsque l’on change l’amplitude ou la fréquence on remarque que le son change devient plus fort ou s’atténue. Interprétations : Sur la fréquence de vibration et l’amplitude de vibration ; un haut parleur transforme une fréquence excitatrice f en une vibration de la membrane (dont on peut

montrer qu’elle est de même fréquence). Un son est d’autant plus aigu que la fréquence excitatrice est importante.

A une fréquence donnée et fixée, le son est d’autant plus intense que l’amplitude des vibrations de la membrane est importante. L’intensité d’un son est caractérisée par le niveau d’intensité acoustique L qui se mesure à l’aide d’un sonomètre gradué en Décibel dB.

1.2- Le haut parleur : principe de fonctionnement Un haut parleur est constitué de :

- un aimant permanent, - une bobine de fil électrique (qui crée une aimantation non permanente), - une membrane souple, - un bâti rigide.

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Remarque : Dans les grandes lignes, le principe de fonctionnement d’un haut-parleur est le suivant : L’aimant permanent et la membrane souple maintiennent la partie centrale du haut parleur en équilibre. Lorsque une intensité arrive dans le haut parleur (dans la bobine) il y a création d’une aimantation non permanente qui propulse la partie centrale vers l’arrière, étirant ainsi la membrane flexible. Lorsque cette faible intensité disparaît, la membrane tire vers l’avant la partie centrale (il y a création d’un son). Ainsi plus le diamètre est important plus la masse d’air déplacée est importante donc plus le son perçu est fort mais dans ce cas l’inertie du système est aussi plus importante donc on perd en qualité d’où l’intérêt d’avoir une installation comprenant des haut-parleurs de plusieurs diamètres. Définition : La bande passante d’un haut-parleur est le domaine de fréquence pour lequel le haut–parleur produit des sons avec une intensité acoustique de bonne facture.

1.3- Les autres émetteurs de sons Tous les instruments de musique émettent des sons, le problème dans ces cas étant de pouvoir les entendre. Pour cela, on a par exemple, ajouté aux instrument à cordes ou à peau des cavité faisant office de caisse de résonance et donc de haut parleur dont les formes varient en fonction de l’instrument (guitare, piano, tamtam, batterie…) Ainsi pour émettre un son, il faut qu’un corps vibre.

2. Propagation d’un son

2.1- La nécessité d’un milieu matériel

Expérience : Montage : On effectue le même montage que précédemment en disposant le haut parleur sous une cloche à vide dans laquelle nous allons au fur et à mesure de l’expérience « défaire le vide ». Remarque : En effet on pourrait imaginer l’expérience inverse, mais pour les avoir faites dans un sens et dans l’autre, on remarque que les résultats sont plus probants lorsqu’on défait le vide (pour la simple raison que nous n’avons plus les bruits parasites de la pompe à vide). Observations : Le haut parleur est disposé sous la cloche sous laquelle nous défaisons le vide en ouvrant a valve de libération de l’air. On constate alors que plus le vide est rompu, c'est-à-dire plus la quantité d’air présent à l’intérieur de la cloche est important plus le son perçu par nos oreilles est important. Interprétations : On peut donc en conclure que pour qu’un son se propage, il faut qu’entre l’émetteur et le récepteur, il existe un milieu matériel. Un son ne se propage donc pas dans le vide. Ainsi tout comme la lumière, la vitesse de déplacement d’un son dépend donc du milieu traversé.

2.2- Vitesse du son dans différents milieux On peut déterminer la vitesse du son dans différents milieux. Par contre celle-ci dépend aussi de la température du milieu par exemple dans l’air on a le relation :

V() = 331,4 + 0,607

Milieu traversé vitesse en m/s

air (0°C) 331

hélium 965

eau (25°C) 1 498

nylon 2 620

bois 5 000

or verre 5 240

fer 5 950

aluminium 6 420

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2.3- Atténuation d’un son Le son comme chaque onde matérielle (qui transporte de la matière, le plus souvent de l’air simplement) et à la différence de la lumière (qui ne transporte que de l’énergie (sans matière) s’atténue dans le milieu traversé. On peut le montrer au moyen d’une expérience simple.

Expérience : On utilise encore le même montage que précédemment. Mais en guise de microphone nous allons maintenant utiliser le sonomètre. Fiche caractéristique : Un sonomètre est constitué de :

- un microphone à condensateur, - affichage, - interrupteur et choix de signal de sortie, - sélecteur de pondération et d’étalonnage interne, - sélecteur de pondération de temps, - gamme de mesure, - borne de sortie, - compartiment pile, - indicateur de dépassement de calibre, - vis de réglage,

Observations : On fait deux mesures en fonction de la distance haut-parleur – sonomètre.

Iproche = dB distance en m : m Iloin = dB distance en m : m On remarque alors que plus on s’éloigne de l’émetteur plus le signal sonore s’atténue. Expérience : On refait la même expérience l’intensité acoustique en fonction de la distance émetteur sonomètre.

3. Réception d’un son

3.1- L’oreille humaine L’oreille humaine ne perçoit un son que si la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz. (c’est une moyenne)

Fréquence 20 260 1600 20 000 en HERTZ

Infrasons graves médium aigus ultrasons

L’oreille humaine n’a pas la même sensibilité quelle que soit la fréquence. On dit que l’oreille est un récepteur sélectif. La zone de sensibilité de l’oreille est comprise entre deux courbes :

- Le seuil d’audibilité au dessous duquel aucun son n’est ressenti.

- Le seuil de douleur au dessus duquel la perception est altérée et douloureuse.

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3.2- Le microphone