Ondes sonores : propagation, représentation et mesures

Définition

Les ondes sonores résulte de la propagation de compressions et dilatation de l’air (=vibrations des molécules) sans que les molécules d’air ne soient transportées d’un point à un autre.

Une onde sonore mesurée par ordinateur et les succession de compression et dilatation locale de l'air
En bas : la succession de compression et dilution local de l'air // En haut : la mesure de cette onde traitée par ordinateur

Liste des travaux pratiques (TP) au lycée sur les ondes sonores

Le milieu de propagation des ondes sonores

La cloche à vide et le son

Les différentes expériences permettent de répondre à la question suivante : dans quoi les ondes sonores et lumineuses se propagent-elles ?

Source – chaine Youtube : « unisciel »

Modélisation des ondes sonores

Modélisation shématique

Modèle d'une onde sonore (1)

Vous pourrez visualiser, grâce à un modèle schématique, la propagation d’une onde sonore créée par une membrane de haut parleur.

Modèle d'une onde sonore (2)

Dans le même esprit, vous pourrez visualiser la propagation d’une onde sonore mais aussi la représentation graphique de la mesure de cette onde.

Représentation spatiale

Une représentation graphique spatiale signifie que l’on fige la scène (comme avec une photo). Nous traçons le graphique de ce que l’on observe : l’abscisse est alors une distance = spatial.

Exemple : Prenons l’illustration d’une onde sonore produite à l’aide de l’animation proposée ci-dessus. Nous observons une succession périodique de compression locale d’air.

Vue idéalisée des molécules d'air traversée par une onde sonore
Vue idéalisée des molécules d'air traversée par une onde sonore

La représentation graphique spatiale (=en fonction de la distance) de cette onde sonore ci-dessus donnerait la courbe ci-dessous.

Graphique modélisant la pression acoustique d'un son
Graphique de la pression acoustique d'un son en fonction de la distance au sol

Représentation graphique temporelle

Une représentation graphique temporelle signifie que l’on se fixe en un endroit (comme avec un micro) et que l’on trace au fil du temps le graphique de ce que nous mesurons : l’abscisse est alors le temps = temporel.

Exemple : Prenons l’illustration d’une onde sonore produite à l’aide de l’animation proposée ci-dessus.

Vue idéalisée des molécules d'air traversée par une onde sonore avec un micro fixe
Vue idéalisée d'une onde sonore captée par un micro

La représentation graphique temporelle (=en fonction du temps) de cette onde sonore captée par le micro donnerait la courbe ci-dessous.

Graphique représentant la pression acoustique d'un son au cours du temps
Graphique de la pression acoustique d'un son en fonction du temps

Page web - TP mesure sur les ondes sonores

Pour mieux vous représentez la mesure temporelle d’une onde sonore, je vous invite à consulter la simulation se trouvant sur la page web suivante

Source – phychiers.fr & Phetcolorado.edu

Grandeurs caractéristiques des ondes sonores

Modèle de propagation d'une onde sonore

Vous pourrez générer, donc entendre, des sons avec différentes hauteurs ou différents timbres puis et visualiser leur mesure sous forme graphique.

Période (T), fréquence (f) et hauteur d'un son

La période (T)

La période T est la durée au bout de laquelle le motif (=bout de courbe) se répète.

Pour plus de précision, il préférable de ne pas mesurer la période T sur un seul motif mais sur plusieurs et, si possible, sur les maximums.

Exemple : Sur le graphique, nous  mesurons :

5 T = 0,00030 – 0 = 3,0 ms

5 T = 3,0 × 10-3 s

Donc

T = ( 3,0 / 5 ) × 10-3 s

T = 6,0 × 10-4 s

La fréquence (f) et hauteur

La fréquence f est l’inverse de la période T. Il représente le nombre de fois qu’un motif se répète en une seconde.

Exemple : Sur le graphique, nous pouvons calculer :

La fréquence, et donc la hauteur, de l’onde sonore est de 1,7 kHz.

Cela signifie que la vibration sonore se répète 1700 fois en une seconde.

Cette onde appartient au domaine audible puisque la fréquence est comprise entre 20 et 20 000 Hz.

TP mesure des périodicités d'une onde sonore

Je vous invite à consulter la simulation et le travail se trouvant sur les pages web suivante :

Source – phychiers.fr & Phetcolorado.edu

La célérité / vitesse de propagation des ondes

Formule de la célérité en fonction de la distance et de la durée

La vitesse de propagation ou célérité (en m/s) des ondes est le rapport entre la distance d parcourue par l’onde (en mètre) sur la durée Δt qu’elle a mis (en seconde).

TP mesure de la célérité d'une onde sonore

Je vous invite à consulter la simulation et le travail se trouvant sur la page web suivante :

Source – phychiers.fr & Phetcolorado.edu

Intensité sonore I et niveau d'intensité sonore L

TP mesure du niveau d'intensité L d'une onde sonore

Je vous invite à consulter la simulation et le travail se trouvant sur la page web suivante :

Source – phychiers.fr & Phetcolorado.edu

Exercice - Le sonar

A l’aide de la simulation d’expérience « Sous pression » ci-dessous, réalisez le travail demandé dans cette animation

Principe du sonar

Vous pourrez visualiser les ondes émises par le sonar d’un bateau et tenter de résoudre 3 exercices calculatoires. Pour vous aider, regarder les résolutions d’exercices sur la célérité et surtout faites attention à l’aller-retour qu’effectue l’onde sonore du sonar pour vos calculs.

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