Son et Lumière. Les caractéristiques du son. Leçon N Les caractéristiques physiologiques d un son. 2. Les autres caractéristiques

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1 Son et Lumière Leçon N 4 Les caractéristiques du son Introduction : L objectif de cette séquence de cours est de permettre aux étudiants de comprendre les caractéristiques d un son (mesures et mises en valeur), ainsi que de leur apprendre comment on utilise ces caractéristiques dans la vie courante (divers montages acoustique et protection). Nous verrons en préambule la différence entre son et bruit et nous allons commencer par demander aux élèves de nous donner des valeurs en db de sons de la vie courante : - bruit de fond grand magasin : 60 db - Klaxon automobile : 75 db - Moto de course à 2m. : 100 db - Désert : 7 db - Grotte : 2 db - Périphérique int/ext : 110 db - Discothèque 120 db - Réacteur d avion 130 db. 1. Les caractéristiques physiologiques d un son 1.1- L intensité d un son 1.2- La hauteur d un son 1.3- Le timbre d un son 2. Les autres caractéristiques 2.1- La fréquence d un son 2.2- La longueur d onde d un son 2.3- La vitesse du son ou célérité 3. Utilisation de l acoustique dans la vie courante 3.1- Intensité acoustique 3.2- Niveau d intensité acoustique 3.3- Vers l isolation phonique Synthèse : Les caractéristiques du son Cours 1-5

2 Document n 1 : L échelle de bruit. 1. Les caractéristiques physiologiques d un son Elles se différentient des autres caractéristiques physiques par le simple fait qu elles sont directement liées à ce que nous percevons. L expérience consiste ici à envoyer un signal sinusoïdal vers un haut parleur puis à observer ce qui se produit : Matériel : - un GBF, - un oscilloscope, - un haut parleur, - des fils électriques. Montage : On effectue le montage suivant : On peut alors découvrir ensemble (avec les élèves) les différentes caractéristiques d un son L intensité d un son Lorsque l on augmente l amplitude du signal sinusoïdal que nous envoyons vers le haut parleur d un son, on remarque que le son est plus fort. Le son est d autant plus fort que l amplitude des vibrations de la membrane du haut parleur sont importante La hauteur d un son Lorsque l on augmente la fréquence du signal sinusoïdal que nous envoyons vers le haut parleur d un son, on remarque que le son est aigu. Le son est d autant plus aigu que la fréquence des amplitudes des vibrations de la membrane du haut parleur est importante Le timbre d un son Lorsque nous n envoyons plus un signal sinusoïdal mais triangle ou carré, on remarque que le son change, se modifie. Dans ce cas précis, ni la fréquence ni l amplitude n ont été changées, on définit alors le timbre d un son qui correspond à la forme du signal émis. Le timbre définit la qualité d un son, c est ce qui permet à l oreille de différentier des sons complexes de même hauteur et de même fréquence (la même note) produit par des instruments différents. Le timbre d un son dépend de la forme de la vibration sonore : Les caractéristiques du son Cours 2-5

3 Remarque : Afin d évoquer cet exemple, on peut donc tout simplement demander aux élèves grâce à quel caractère physique d un son, il faut la différence entre un piano, une guitare ou un flûte. Une expérience sympa consiste à brancher avec EXAO ou ORPHY un microphone et lui envoyer une note d un piano ou d un autre instrument dont nous disposons au labo et à montrer aux étudiants la différence avec un son non complexe avec les transformées de FOURIER. Même si ils ne comprennent pas tout ils voient la différence entre un son simple et un son complexe et appréhendent les fréquences (sur un la par exemple). 2. Les autres caractéristiques 2.1- La fréquence d un son L expérience consiste ici à envoyer un signal sinusoïdal vers un haut parleur puis à observer ce qui se produit : Montage : On effectue le même montage que précédemment un branchant en voie B un microphone et on observe à l oscilloscope le signal suivant : 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, , , ,3-0,4-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1 -1,1 Dessiner l oscillogramme obtenu sur le graphique suivant : Déterminer la période et la fréquence du signal obtenu : Les caractéristiques du son Cours 3-5

4 Document n 2 : Applications On se propose de créer expérimentalement une note connue de musique : le LA. Pour cela, nous savons que le LA 440 a une fréquence f= 440 Hz. 1- Calculer sa période. 2- En fonction du balayage choisi, retrouver cette note. 3- Vérifier le résultat obtenu avec un diapason La longueur d onde d un son Préambule : Pour toute onde, on sait qu il existe une période temporelle, que nous venons d évoquer, mais aussi une période spatiale que nous allons maintenant évoquer. Pour toute onde sonore (son), la longueur d onde, c est à dire la distance parcourue par cette onde pendant la période T, est donnée par la relation : c T ou C f Remarque : Les unités : - c est en fait la valeur de la vitesse de la lumière dans l air (METRE/SECONDE : m/s), - est la longueur d onde (METRE : m), - T est la période temporelle (SECONDES : s), - f la fréquence du son (Hertz : Hz). Document n 3 : Applications On donne la note LA pour une fréquence de 440 Hz. Calculer sa longueur d onde dans l air à 20 C. Même question pour le DO dont la fréquence est de 261,6 Hz La vitesse du son ou célérité Préambule : On peut dire à ce niveau qu il existe plusieurs méthodes pour calculer cette célérité qui peuvent être réparties en deux grandes familles : - Les mesures directes (elles sont en général accompagnées d une acquisition via un interface informatique), - Les mesures indirectes (qui sont plus simples) qui utilisent les différentes caractéristiques d une sonde sonore notamment la longueur d onde. On utilise encore le même montage que précédemment. Le but de cette manipulation est ici la mesure indirecte de la vitesse du son dans l air à 20 C. Principe : Le principe est simple : - On place le microphone face au HP de manière à ce que les signaux obtenus sur l oscilloscope soient en phase, et on note la position du microphone, - On recule le microphone jusqu à l obtention nouvelle de deux signaux en phase, - On note la distance entre les deux positions du micro cette distance donne directement, - On mesure la période T à l oscilloscope, - On calcule alors la célérité du son avec la formule : C f : Les caractéristiques du son Cours 4-5

5 3. Utilisation de l acoustique dans la vie courante Dans cette dernière partie assez courte, nous allons voir une des exploitations principales des ondes sonores (car il existe aussi le principe du sonar qui peut aussi permettre de faire le lien avec l optique) qui est l isolation phonique. Donc dans cette troisième partie nous allons présenter le TP qui permet de déterminer les qualités d isolants phoniques de certaines matières (plastique, verre, bois, ) en les comparant les unes avec les autres. Mais pour cela nous devons définir les unités afin que notre expérimentation ne soit pas qu expérimentale («c est un bon isolant, c est un mauvais isolant»). Pour cela, il faut évoquer l intensité acoustique ainsi que les niveaux d intensités acoustiques Intensité acoustique L intensité acoustique est la valeur moyenne de la puissance transmise dans une direction donnée par unité de surface. Elle est notée I et elle vaut : Unités : - I : intensité acoustique en W/m², - P : puissance acoustique transmise en W, - S : Surface en m². I P S 3.2- Niveau d intensité acoustique Le niveau d intensité acoustique se mesure à l aide d un sonomètre. Il se mesure en décibel (db), il se note L et vaut : L 10log Unités : - L : intensité acoustique en db - I O : intensité acoustique de référence I O = W/m², (Cette valeur correspond au minimum audible pour l oreille humaine) I Io 3.3- Vers l isolation phonique Voir le TP de FMB Synthèse : Les caractéristiques du son Cours 5-5

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