L'émission et la propagation d'un son
Un son est produit par vibration et est émis par une source. Un son nécessite un milieu matériel pour se propager. La vitesse du son dépend du milieu matériel dans lequel il se propage.
La source de l'émission d'un son
Le son est produit par la vibration d'un corps solide, liquide ou gazeux qui constitue la source sonore.
Un son est émis lorsqu'un objet est le siège de vibrations.
Lorsqu'on martèle un diapason, celui-ci émet un son car ses lames entrent en vibration :
Pour qu'un son soit émis convenablement, il est nécessaire que la vibration de la source soit transmise à une caisse de résonance.
Lorsqu'on martèle un diapason :
- s'il n'est pas posé sur sa caisse de résonance, le son émis est très peu intense et quasiment inaudible ;
- s'il est posé sur sa caisse de résonance, le son est beaucoup plus intense et se propage plus efficacement dans l'air.
Pour émettre un son convenablement, toute source sonore doit être composée de deux éléments :
- un objet vibrant, ou excitateur ;
- une caisse de résonance, ou résonateur, qui rend plus efficace la transmission de la vibration de l'objet à l'air (on parle de couplage entre l'objet vibrant et l'air).
L'émission d'un son par une guitare acoustique provient d'abord de la corde qui vibre quand elle est frottée. Sa vibration est alors transmise au corps de la guitare qui fait office de caisse de résonance et qui amplifie le son.
La propagation d'un son dans un milieu matériel
Le son est une onde mécanique qui se propage dans un milieu matériel solide, liquide ou gazeux.
Le son est une onde mécanique : il nécessite un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) pour se propager. Les sons ne peuvent pas se propager dans le vide (contrairement aux ondes lumineuses).
Si l'on place une sonnette dans une cloche dans laquelle le vide a été fait, on peut la voir vibrer mais aucun son n'est émis.
Dans le milieu matériel dans lequel le son se propage, la vibration est transmise de proche en proche, sans déplacement de matière mais avec un transport d'énergie. On parle d'onde progressive.
Lorsqu'un haut-parleur émet un son, la vibration de la membrane est transmise aux couches d'air et se transmet de proche en proche.
La vitesse de propagation d'un son
La vitesse de propagation d'un son est indépendante de sa nature ou de la source émettrice. Elle dépend du milieu de propagation.
La vitesse de propagation (ou célérité) du son est indépendante de sa nature ou de la source émettrice mais dépend du milieu de propagation. Dans l'air, la vitesse du son est de 340 m.s-1. Dans les milieux plus denses, elle est plus importante.
La vitesse du son est d'environ 1 500 m.s-1 dans l'eau et de 6 000 m.s-1 dans l'acier.
Mesurer la vitesse du son
Pour mesurer la vitesse du son, on peut visualiser sur un ordinateur ou un oscilloscope la durée qui sépare la réception d'un signal sonore par deux récepteurs placés à des distances différentes de l'émetteur :
Étape 1
Capter un son par deux récepteurs éloignés d'une distance d.
Étape 2
Mesurer le retard \Delta t (à l'aide de graduations, d'une échelle ou des réglages de l'oscilloscope).
Étape 3
Calculer la vitesse :
v = \dfrac{d}{\Delta t}
Si les deux récepteurs sont éloignés de 34,0 cm, on mesure un retard de 1,00 ms.
La vitesse du son est alors :
v= \dfrac{d}{\Delta t}\\v= \dfrac{34{,}0 .10^{-2}}{1{,}00.10^{-3}}\\v= 340 \text{ m}. \text{s}^{-1}
Pour réaliser la mesure du retard avec un oscilloscope, il faut :
- déterminer le nombre de divisions correspondant au retard ;
- multiplier le nombre de divisions par la base de temps (ou durée de balayage), indiquée par le bouton « TIME/DIV. ».
Ici, deux divisions séparent nos deux pics, c'est le retard du deuxième micro par rapport au premier. La base de temps est de 1 μs/div (1 \text{ μs}= 10^{-6} \text{ s}).
Le retard \Delta t est donc :
\Delta t = 2 \times 1{,}0 \times 10^{-6} = 2 \times 10^{-6} \text{ s}
Généralités sur le signal sonore périodique
Un signal sonore périodique est un signal qui se reproduit à intervalles de temps réguliers. Ses caractéristiques sont sa période temporelle et sa fréquence.
La notion de signal sonore périodique
Un signal sonore périodique est un signal sonore qui reproduit le même motif élémentaire à des intervalles de temps réguliers.
Signal périodique
Un signal périodique est un signal qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers.
Motif élémentaire
Un motif élémentaire correspond à la plus petite partie du signal périodique permettant de le reproduire complètement. C'est la plus petite partie du signal qui se répète.
Les caractéristiques d'un signal sonore périodique
Les caractéristiques d'un signal sonore périodique sont sa période temporelle et sa fréquence.
Pour déterminer plus précisément la période d'un signal sur un graphique, il vaut mieux mesurer une durée plus importante qui correspond à plusieurs périodes et ensuite diviser par le nombre de périodes correspondant.
La représentation temporelle du son émis par un diapason est la suivante :
Si on considère le point spécifique du signal comme celui où le signal est nul avant de redevenir positif, on peut observer 4 répétitions de la période pendant 9 ms. Elle est donc donnée par :
4T = 9{,}0 \text{ ms}
Soit :
T =\dfrac{9{,}00}{4}
T = 2{,}25 \text{ ms}
La fréquence est donnée par :
F_{\left(\text{Hz}\right)}=\dfrac{1}{T_{\left(s\right)}}
F_{\left(\text{Hz}\right)}= \dfrac{1}{2{,}25 \cdot 10^{-3}}
F_{\left(\text{Hz}\right)}= 440 \text{ Hz}
Ainsi, ce diapason émet un son tel que son motif élémentaire se reproduit 440 fois par seconde.