Perception d’un son

Les signaux sonores périodiques

Un signal sonore périodique se reproduit à intervalles de temps égaux.

Période et fréquence

La période $\rm T$ d'un signal sonore périodique est le plus petit intervalle de temps au bout duquel le signal périodique se répète. La fréquence $\rm f$ d'un signal sonore périodique est le nombre de répétitions de ce signal par seconde. Elle s'exprime en Hertz (Hz).

La relation entre période et fréquence est donnée par :

$\rm \displaystyle f = \frac{1}{T}$ avec $\rm T$ en seconde (s)

Perception auditive humaine

L'oreille humaine perçoit des sons compris entre $\rm 20 ~Hz$ et $\rm 20~ 000~ Hz$. En dessous de $\rm 20~ Hz$, on trouve les infrasons et au-dessus de $\rm 20~000~ Hz$, les ultrasons. Un son est d'autant plus aigu que sa fréquence est élevée.

Caractéristiques des sons

Hauteur d'un son

La hauteur d'un son est la sensation auditive liée à la fréquence du signal sonore. Plus la hauteur du son est grande, plus sa fréquence est élevée et plus le son est aigu.

Timbre d'un son

Le timbre d'un son est la sensation auditive liée à la forme temporelle du signal sonore.

Ces deux sons ont la même période $\rm T = 1,8~ ms$, donc la même hauteur, mais la forme de leur signal est différente, ils ont des timbres différents.

Niveau d'intensité sonore

Le niveau d'intensité sonore $\rm L$ d'un son, mesuré avec un sonomètre, s'exprime en décibel dB. Il est lié à l'intensité sonore $\rm I$ en watt par mètre carré $\rm (W.m^{-2})$. Plus $\rm I$ est grand, plus $\rm L$ est grand.

EN RÉSUMÉ

Objectif

Définir ce qu'est une onde, connaître ses grandeurs caractéristiques, et savoir utiliser les formules de base pour les calculs.

Pourquoi c'est important ?

L'étude des ondes permet de :

• Comprendre le son, la lumière, les ondes radio, les séismes, etc.
• Concevoir des technologies comme Wi-Fi, IRM, radar.
• Étudier les propriétés des matériaux et leur interaction avec l'énergie.

Petit rappel

• Une onde est un phénomène de propagation d'une perturbation sans transport de matière, mais avec transport d'énergie.
• Deux grands types :
  • Onde mécanique : nécessite un milieu matériel (ex. son, vagues)
  • Onde électromagnétique : se propage aussi dans le vide (ex. lumière, ondes radio)

🔧 Les étapes pour assurer

1. Grandeurs caractéristiques d'une onde

2. Formule fondamentale

$$v = \lambda \times f$$

Où :

• $v$ : vitesse en $\mathrm{m/s}$
• $\lambda$ : longueur d'onde en $\mathrm{m}$
• $f$ : fréquence ($\mathrm{Hz}$)

Exemple

Une onde a une longueur d'onde $\lambda = 4\,\mathrm{m}$ et une fréquence $f = 50\,\mathrm{Hz}$.

$v = \lambda \times f = 4 \times 50 = 200\,\mathrm{m/s}$

3. Ondes mécaniques vs électromagnétiques

• Mécaniques : se propagent dans les solides, liquides ou gaz.
  • Exemples : son, vagues, ondes sismiques.
  • Leur vitesse dépend du milieu (plus rapide dans les solides).
• Électromagnétiques : se propagent dans le vide à la vitesse de la lumière $c = 3 \times 10^8\,\mathrm{m/s}$.
  • Exemples : lumière visible, micro-ondes, rayons X.

4. Type de propagation

• Onde transversale : la perturbation est perpendiculaire à la direction de propagation (ex. onde à la surface de l'eau, lumière).
• Onde longitudinale : la perturbation est parallèle à la direction de propagation (ex. son dans l'air).

❌ On évite absolument

• Mélanger les unités ($\mathrm{Hz} \neq \mathrm{s}$).
• Oublier que $T = \dfrac{1}{f}$.
• Penser qu'une onde transporte de la matière. Elle transporte de l'énergie

✅ On valide

• Identifier si l'onde est mécanique ou électromagnétique.
• Utiliser la formule $v = \lambda \times f$ en unités SI ($\mathrm{m}$, $\mathrm{s}$, $\mathrm{Hz}$).
• Vérifier la cohérence des valeurs (par exemple la lumière a une vitesse proche de $3 \times 10^8\,\mathrm{m/s}$)

Le petit + à retenir