Acoustique

Bruit et son

Distinction entre son et bruit

1. Nature du son

   Une sensation auditive perçue par les oreilles, a pour origine un mouvement.
   • Bruits :
     - porte qui claque
     - explosion
   • Sons :
     - vent dans les arbres
     - voix qui chante
     - diapason frappé

2. Dispositif d'observation

   La figure observée sur l'écran de l'oscillographe cathodique reproduit fidèlement le mouvement de la membrane des micros.

3. Expériences

   • Bruits Signal confus, désordonné
   • Sons Signal dit sinusoïdal
     Voix humaine
     Le signal correspondant à un son présente un motif qui se produit régulièremnt : il est périodique

Définition du son

1. Sons et bruits

   Les sons et les bruits ne se propagent pas dans le vide.
   Cloche à vide ->
   Le réveil sonne mais on ne perçoit rien.
   Un son se propage, c'est à dire va de sa source (émetteur) à tout récepteur approprié s'il y a entre les deux une chaîne continue de matière.
   Le son présente un certain amortissement avec la distance.

2. Récepteur sonore

   Tout récepteur sonore contient une membrane.
   Exemple : micro
   
   oreille : tympan

3. Définition d'un son

   Un son est un phénomène périodique produit par la vibration très rapide d'un corps matériel, transmis par un milieu matériel et perçu par la vibration de certains organes de l'oreille ou par celle d'autres détecteurs (micro).

Nature du son

Le son est produit par une vibration qui crée au voisinage de la source des compressions et des dilatations qui se propagent dans le milieu matériel : c'est l'onde sonore.

1. Période

   La source vibre en effectuant un grand nombre de fois le même mouvement qui crée la succession de dépression et de compression dans le milieu propagateur.
   La durée d'un mouvement de la source s'appelle la période : on la note T et on la mesure en secondes (s).

2. Propagation de l'onde sonore

   a) Les déformations avancent dans le milieu propagateur sans que les particules de celui-ci soient transportées.
   b) La déformation a lieu dans la direction de propagation : l'onde sonore est dite longitudinale.
   c) Lorsqu'un son est émis dans un milieu homogène sans obstacle, la propagation se fait de la même façon dans toutes les directions : l'onde sonore est sphérique.

3. Fréquence et longueur d'onde

   T = période de la source.
   Le nombre de mouvements effectués par la source en une seconde (en 1s) s'appèle la fréquence de la source.

   1 mvt = Ts 
   
   f ----> 1s
   

   f = 1s Ts

   f s'exprime en 1/s (s¯¹) ou en hertz (Hz)
   1 Hz = 1 mvt par seconde.
   diapason : 440 Hz = 440 aller et retour/seconde T=1/440

   T=1/f

   Les fréquences perçues par l'oreille humaine sont comprises entre 20 Hz et 20000 Hz. Cet intervalle diminue avec l'âge.
   f < 20 Hz = infrasons
   f > 20 000 Hz = ultrasons perçus par certains animaux.
   Fréquences faibles -> sons graves
   Fréquences élevées -> sons aigus
   Tout objet libre de vibrer émet un son caractéristique de fréquence déterminée fo (fréquence propre) qui dépend de la nature, de la forme, de la dimension de l'objet.

Célérité du son

1. Observations

- Décalage tonerre, éclair - Un avion rapide passe, le temps de lever la tête en direction du bruit perçu, il a déjà disparu à l'horizon. -> le son met un certain temps pour aller de la source au récepteur.
On entend le train arriver en collant son oreille sur les rails. On l'entend bien avant qu'on ne l'entende debout. -> le son se propage plus vite dans les rails.

2. Définition

A l'instant A un son est émis au point A.
A l'instant B ce son est perçu au point B.
Soit d la distance séparant A et B en ligne droite.
On suppose qu'il n'y a pas de changement de milieu entre A et B.
On définit la vitesse ou célérité du son :


C =     d      TB-TA

Cette célérité dépend du milieu mais pas de la fréquence du son émis.

3. Résusltats

Dans CNTP (conditions normales de température et de pression : p=1 atm - t=0°C)
C = 331,4 m/s dans l'air
C = 1430 m/s dans l'eau
C = 5200 m/s dans l'acier
Le son va d'autant plus vite que le milieu est rigide

4. Vitesse supersonique

Tout objet qui se déplace à une vitesse plus grande que celle du son va à une vitesse supersonique.
1 fois la vitesse du son : Mach 1
2 fois la vitesse du son : Mach 2
Mach 1:
v = 330 m/s
v = 1188 km/h

Application - exercices

1. Relation période-fréquence

T période en s
f fréquence en Hz
T × f = 1
T = 1 / f
f = 1 / T

2. Longueur d'onde : l

La longueur d'onde l (lambda) est la distance parcourue par le son pendant une période.
l=C×T (l en m, C en m/s, T en s)
l=C/f (f en Hz)
f=C/l
T=l/C
C=l×f
C=l/T

T en s	1	2	3	4	5
f en Hz	1	0,5	0,33...	0,25	0,2
lair en m	331,4	662,8	994,2	1 325,6	1 657
leau en m	1 430	2 860	4 290	5 720	7 150
lacier en m	5 200	10 400	15 600	20 800	26 000

Réflexion des ondes sonores

1. Observations

- Echos
- Piscine : les sons se réfléchissent sur la surface de l'eau.

Expérience : Réflexion du son sur une plaque métallique

2. Applications

- Sonar : radar à ondes acoustiques
- Echographie
- Mégaphone - cornet acoustique

3. Atténuation des ondes sonores

Les ondes sonores sont absorbées par certains matériaux : isolants soniques
- Polystirène expansé
- Double vitrage
- Laine de verre
- Tentures, tissus.