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Émission et perception du son

Onde sonore, période, fréquence, amplitude, niveau d'intensité sonore, domaine audible

🌍 Application dans la vie courante : Comprendre le son permet d'accorder un instrument de musique, de régler une protection auditive sur un chantier bruyant, d'interpréter une échographie médicale, ou de comprendre le fonctionnement d'un sonar de bateau.

Contrairement à la lumière, le son ne peut pas traverser le vide : dans l'espace, aucune explosion ne s'entend, malgré ce que montrent la plupart des films de science-fiction. Le son est une onde mécanique, c'est-à-dire une vibration qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel (l'air, l'eau, un solide), par compressions et dépressions successives.

Un microphone transforme cette vibration en un signal électrique, que l'on peut visualiser sur un oscillogramme. Deux grandeurs suffisent alors à caractériser presque entièrement ce que l'on entend : la fréquence, liée à la hauteur du son (aigu ou grave), et l'amplitude, liée à son intensité (fort ou faible).

📖 Vocabulaire clé

Son : Onde mécanique résultant de vibrations qui se propagent de proche en proche dans un milieu matériel (l'air, l'eau, un solide), par compressions et dépressions successives. Le son ne se propage pas dans le vide.

Période $T$ et fréquence $f$ : Pour un son périodique, la période

T

(en s) est la durée d'un motif qui se répète ; la fréquence

f = \dfrac{1}{T}

(en Hz) est le nombre de répétitions par seconde. Elle détermine la hauteur du son (aigu si

f

est grande, grave si

f

est petite).

Amplitude : Écart maximal du signal sonore par rapport à sa valeur moyenne. Elle est liée à l'intensité sonore perçue : un son plus fort a une amplitude plus grande.

Niveau d'intensité sonore $L$ : Grandeur exprimée en décibels (dB), mesurée au sonomètre, qui quantifie la puissance sonore perçue (seuil de douleur

\approx 120

dB ; risques auditifs au-delà de

85

dB en exposition prolongée).

📋 Exploiter un oscillogramme sonore en 3 étapes

1 Identifier un motif qui se répète sur l'oscillogramme, et mesurer sa durée : c'est la période $T$ (en s).
2 Calculer la fréquence $f = \dfrac{1}{T}$ (en Hz), qui renseigne directement sur la hauteur du son perçu.
3 Comparer $f$ au domaine de l'audible humain ( $20$ Hz à $20\,000$ Hz) : en dessous, c'est un infrason ; au-dessus, un ultrason — tous deux inaudibles pour l'oreille humaine.

✅ Exemple résolu

Énoncé : Un diapason de laboratoire vibre à la fréquence

f = 440

Hz (c'est la note La, référence internationale d'accordage des instruments de musique).

Calcule la période

T

de cette vibration, en millisecondes.

Démarche :

Relation entre période et fréquence : $T = \dfrac{1}{f}$ .
Application numérique : $T = \dfrac{1}{440} \approx 0{,}00227$ s.
Conversion en millisecondes : $T \approx 0{,}00227 \times 1\,000 \approx 2{,}27$ ms.

Réponse :

T \approx 2{,}27

ms. Cette période, très courte, traduit la hauteur relativement élevée de cette note : plus la fréquence est grande, plus la période est courte.

⚗️ Lois et formules clés

f = \dfrac{1}{T}

(fréquence en Hz, à partir de la période

T

en s)

Domaine audible humain :

20

\leqslant f \leqslant 20\,000

Vitesse du son dans l'air (à

20°C

) :

v \approx 340

m/s

Fréquence

\leftrightarrow

hauteur perçue (aigu/grave) ; amplitude

\leftrightarrow

intensité perçue (fort/faible)

🎨 Illustration

Oscillogramme d'un signal sonore périodique

Mesurer une période pour calculer une fréquence

Un microphone relié à un oscilloscope capte un son pur : la tension $u(t)$ , image du son, varie périodiquement. La période $T$ , mesurée entre deux motifs identiques, permet de calculer la fréquence $f = \dfrac{1}{T}$ .

1 Un motif identique se répète toutes les $T = 4$ ms : entre $t = 0$ et $t = 4$ ms, la courbe reproduit exactement la même forme, c'est la période du signal.
2 Fréquence : $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{4 \times 10^{-3}} = 250$ Hz. Cette valeur est bien comprise dans le domaine audible humain ( $20$ Hz à $20\,000$ Hz), ce son est donc audible.
3 L'amplitude maximale $U_{max} = 2$ V (écart entre le maximum et la valeur moyenne nulle) est liée à l'intensité perçue, une caractéristique totalement indépendante de la fréquence.

Ce qu'il faut lire : Repère d'abord un maximum de la courbe (amplitude

U_{max}

), puis mesure l'écart horizontal jusqu'au prochain motif identique : c'est la période

T

, indiquée en pointillés sous la courbe.

Oscillogramme d'un signal sonore périodique : période

T = 4

ms, soit une fréquence

f = \dfrac{1}{T} = 250

Hz, et amplitude maximale

U_{max} = 2

❌ Une erreur, une suggestion

❌ L'erreur fréquente

Une confusion fréquente consiste à penser qu'un son « fort » est automatiquement un son « aigu », ou inversement qu'un son « grave » serait forcément faible.

✅ La suggestion

Attention : la hauteur (aigu/grave) dépend uniquement de la fréquence, tandis que l'intensité (fort/faible) dépend de l'amplitude — ce sont deux caractéristiques totalement indépendantes, un son grave pouvant très bien être assourdissant, et un son aigu très faible.

💡 À retenir

Le son est une onde mécanique : il nécessite un milieu matériel et ne se propage pas dans le vide.
La fréquence $f = \dfrac{1}{T}$ détermine la hauteur perçue (aigu/grave) ; l'amplitude détermine l'intensité perçue (fort/faible).
L'oreille humaine perçoit les fréquences entre $20$ Hz et $20\,000$ Hz ; en dehors, ce sont des infrasons ou des ultrasons.
Le niveau d'intensité sonore $L$ (en dB) quantifie le volume perçu ; une exposition prolongée au-delà de $85$ dB présente un risque auditif.

🌍 Application dans la vie courante

Où ce phénomène intervient-il ?
Comprendre le son permet d'accorder un instrument de musique, de régler une protection auditive sur un chantier bruyant, d'interpréter une échographie médicale, ou de comprendre le fonctionnement d'un sonar de bateau.

Mots-clés associés : SonFréquencePériodeAmplitudeDécibel

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