PHYSIQUE
Niveau : L3
Année scolaire 2017-2018
Traducteur : Dr. Bounseng BOUNTHONG
Mobile : 02029822860 Email : [email protected]
Table des matières
Chapitre IV : Les sons 2
Leçon 9 : Ondes sonores . . . . 2 Leçon 10 : Caractéristiques des ondes sonores . . . . 8 Leçon 11 : Phénomènes des ondes sonores . . . . 11
Chapitre IV : Les sons
Leçon 9 : Ondes sonores
1. Notion des ondes sonores
Lorsqu’on assis à côté d’une cascade, qu’est-ce qu’on entend ?
Dans la vie quotidienne on entend des bruits de différentes sources par exemple : le son d’un discours, le son d’un corbeau, le son d’un ventilateur, le son d’un instrument musique, le son d’une voiture, etc ...
Les sons sont très utiles pour les hommes. À cause de son, on a la langue, La voix stimule le système nerveux à se sentir entendu, l’homme utilise la voie (langue) pour communiquer, pour tranformer la connaissance, la notion, l’expé- rience et le sentiment, etc... l’homme a construit l’instrument de musique pour le divertisement, le sirène pour l’ambulance, pour la voiture de police et pour la sécuirité.
Savez-vous comment le son a été crée ? et pourquoi ?
Essaie de taper sur la table avec la main ou avec un objet sur un diaposon, on pourra entendre le son. Lorsqu’on tient la main sur la table ou le diaposon, on sent que la table ou le diaposon vibrent.
Lorsqu’on crie avec la voie très haute, si on touche le cou, on sent que le muscle autour du cou vibre.
Si on touche les instruments de musiques, quand on joue par exemple : le fil d’une guitare, le haut parleur, on sent que les instrument de musiques vibrent.
FIGURE9.1 – Le guitariste et le diapason avec le résonateur
Les expériences ci-dessus nous montrent qu’à cause de la vibration, le son est émis. Si la vibration est moins importante, le son l’est aussi. Au contraire, si la viration est importante, le son est important aussi. Donc, on peut dire que le son est créé par la vibration des corps.
Le son est crée par la vibration des corps, la vibration est crée par la perturba- tion. Lorsqu’un corps est parturbé, le corps est vibré et les particules du corps tranmettent d’énergies aux particules autours et lorsqu’une particule a reçue une énergie, elle vibre et tranmet d’énergie à l’autre et ainsi de suite. Le son se pro- page d’une source, lorsqu’il arrive à notre oreille, le système du cerveau va co- der et on entend de son et on peut distinguer des différences rythmes. Les sons peuvent traversent le milieu liquide, solide et gaz mais, ils ne peuvent pas passer le vide.
L’onde sonore est-elle une onde transversale ou longitudinale ?
L’onde sonore est une onde mécanique, lorsqu’elle se propage dans un milieu, les molécules du milieu vibrent autours leurs positions d’équilibres selon la di- rection de la propagation, elles transfèrent d’énergies mais pas transfèrent de matière. Donc, onde sonore est une onde longitudinale. Onde sonore crée par la vibration d’un corps est appelée source d’onde sonore. L’énergie de vibra- tion des corps d’une source est transfert aux molécules d’un milieu à côté, puis vibrent même que la source et ainsi de suite.
2. Propagation des ondes sonores passant par un milieu 2.1. Vitesse du son dans l’air
Les ondes sonores peuvent se propager dans l’air parceque les molécules de l’air sont les milieux de transfert d’énergie du sons.
Lorsque la source du son vibre, elle transfert l’onde du son passant par l’air, l’énergie de vibration est transfert aux molécules d’air autours, elles vibrent puis transfèrent à l’autres ...
Le résultat d’étude nous montre que la direction du transfert d’énergie est la même direction que la direction de transfert des énergies des molécules.
Donc, l’onde sonore est une onde longitudinale.
L’étude le mouvement des molécules d’air. Deux molécules d’air qui situent à côtés d’un à l’autre ont la même distance, chaques points de mesure ont la même pression et la même masse volumique.
Quand le son passe, la distance entre mo- lécues change, il y a la zone de compres- sion et la zone de dilatation. La repré- sentation graphique entre la distance des molécules et la direction de propagation d’onde sonores, et elle est très resemble la propagation d’onde longitudinale du res- sort.
La pression d’air où il y a l’onde sonore passe est appelée pression sonore.
Dans quelque instant les molécules d’air dans certaine zones sont très com- pactes, la masse volumique et la pression est importante cette zone est dite de zone comprimé mais dans certaines zones ont moins des molécules, la masse volumique et la pression est moins importante cet zone est dit zone dilatation.
Connaissez-vous des expériences pour montrer que les ondes sonores ne peuvent pas passer le vide ?
Les ondes sonores se propagent et passent par un milieu. Si la durée est très bref, le son se déplace très courte au contraire si la durée est long, le son se déplace plus loins. Donc, la distance parcourue d’onde sonore dans un milieu est dépend du temps.
La vitesse du son est la distance parcourue d’onde sonore parcourt dans une unité du temps. La vitesse du son dépend des caractéristiques du milieu : la masse volumique, la température et le module d’élasticité du milieu. Si la masse volumique et la température augmentent, la vitesse du son est plus ra- pide, c’est à cause du transfert d’énergie qui est efficace ; et si le module d’élasticité du milieu est grand la vitesse du son est grande aussi. Dans un milieu, la vitesse du son ne dépend pas de la fréquence et la longueur d’onde ; dans la même température, l’onde sonore se propage plus vite dans les milieux solide, liquide et gazeux respectivement. L’étude le déplacement d’onde sonore, quand la température reste constante, la vitesse du son reste constante aussi.
Selon l’étude la vitesse du son dans l’air, on constate que la vitesee du son dans l’air a une relation avec la tempérture et peut calculer par la relation suivante :
vt =331+0.6t (9.1)
oùvt est la vitesse du son dans l’air en (m/s) ett est la température de l’am- biance en (◦C)
Quelque valeurs de la vitesse du son entre 0◦C−25◦C Milieux Vitesse du son
0◦ 25◦
Air 331 346
Hydrogène 1270 1339
Eau 1450 1498
Fer 5100 5200
Verre 5500 4540
Exemple 1 : Calculer la vitesse du son dans l’air à température de 10◦ et à 25◦
Solution
En appliquant la relationvt =331+0.6t
Sit =10◦, on a : v=331+0.6(10) =337 m/s ; Sit =25◦, on av=331+0.6(25) =346 m/s.
Donc, la vitesse du son dans l’air à 10◦ est de 337 m/s et la vitesse du son dans l’air à 25◦ est de 346 m/s.
Comme le son est une onde mécanique, la distance parcourue est proportion- nelle à la durée. Donc, la vitesse du son propageant dans un milieu est :
v= s
t; v= λ
T =λ f (9.2)
où f est la fréquence en (Hz), λ est la longueur d’onde en (m) et T est la période en (s).
Exemple 2 :Un homme debout à une distance d’une falaise de 300 m, il crie avec une fréquence de 100 Hz. Il entend le son refléchi 4 secondes plus tard.
Déterminer la vitesse du son dans l’air et la longueur d’onde du son Solution
La vitesse du son est calculée par la relation : v = st où s est la distance de voyage (aller-retourne) du son ett =4 s. Donc,v= 300(2)4 =150 m/s
La longueur d’onde du son estv=λ f ⇒λ = vf = 1000150 =0.15 m.
2.2. Vitesse du on dans le liquide
La vitesse du son dans un liquide dépend du module d’élasticité isostatique (ou Bulk modulas en anglais) K et la masse volumique ρ (ou la densité du liquide) :
v=
√ K
ρ (9.3)
Le module d’élasticité isostatique représente la relation de proportionnalité entre la pression et le taux de variation du volume
K =−∆P·V
∆V (9.4)
Exemple 3 :Un marin applique le marteau sur le bateau, après 0.5 seconde, il entend le son réflexion de fonde de la mer. Déterminer la profonde de la mer, si la module d’élasticitée de l’eau de mer est de 2.1×109 N/m2 et la masse volumique de l’eau de mer est de 1.025×103kg/m3.
Solution
- La vitesse du son dans la mer : v=
√ K ρ
=
√
2.1×109 1.025×103
=1431m/s
- La profondeur de la mer : en appliquant la relation s =vt, le son se pro- page aller-retours, on a :
2h=vt ⇔2h=1431(0.5)⇒h=357.75 m 2.3. Vitesse du son dans le solide
La vitesse du son dans le solide dépend du module d’élasticité (module d’Young) et la masse volumique (ou la densité) du solide
v=
√ E
ρ (9.5)
oùρ est la masse volumique du solide en kg/m3. E = F/A∆l/l = AFl∆l, le module d’Young en (N/m2 ou Pa).
2.4. Vitesse du son dans le gaz
La compression et la dilatation d’un gaz dépend du processus d’adiabatique.
Le module d’élasticité isostatique a une relation avec la pression du gaz : K =γP où P est la pression du gaz etγ = CCP
V est le rapport des quantités de chaleurs du gaz. Lorsque la pression est constante. La vitesse du son dans le gaz est
v=
√γP
ρ (9.6)
La pression du gaz varie en fonction de la température, donc, la vitsse du son dans le gaz dépend de la température aussi.
v=
√γRT
M (9.7)
où R est la constante du gaz parfait, T est la temérature absolue, M est la masse d’un mol.
Exemple 4 : Déterminer la vitesse du son dans l’air sous la condition nor- male de la pression et de la température.
Solution
En générale, la composant de l’air est l’oxygène et l’azote. Donc, la modé- cule se compose ces deux éléments avec γ =1.4 dans la condition normale, la pression est 1.01×105 Pa et sa masse volumique est de ρ =1.29kg/m3. En appliquant la relationv=
√γP ρ on a
v=
√γP ρ
=
√1.4(1.01×105) 1.29
=331m/s
Exercices
1. D’où vient le son ? Pourquoi peut-on entendre le son ?
2. Les instruments de musiques, la guitare, le banhu (un instrument *šq cordes frot- tées) lesquels sont-ils vibrer ? comment ces instruments peuvent-ils bien émettre des sons ?
3. Lorsqu’on ferme le klaxon du vélo, pourquoi le son est très faible même pas de son ?
4. Lorsqu’une alarme sonne, si on touche, pourquoi elle n’a pas de son ? 5. Onde sonore est une onde transversale ou longitudinale ?
6. compaerez la vitesse du son dans l’air à température 20◦C et 35◦C
7. Déterminer la vitesse du son dans l’air à température 27◦C, si la masse molécu- laire de l’air est 28.8×10−3 kg/mol, γ = 1.4 et la constante du gaz parfait est R=8.31J/kg·mol.
8. La vitesse du son dans l’air à température de 0◦C est 331 m/s. Déterminer la longueur d’onde du son à la fréquence 450 Hz et à la température 25◦C.
9. Un homme debout en face une falaise, il tire le pistolet verticalement vers le haut, il entend le son réfléchi après 1.2 s. On supose que la température est 35◦C.
Quelle est la distance entre la falaise et cet homme ? dans l’air à température 0◦C le son se déplace à la vitesse de 331.5 mètres par seconde.
10. Pendant un orage un homme regarde le ciel et voit un éclair. il entend le coup de tonnere 3 secondes plus tard. À quelle distance de l’homme s’est produit l’éclair si la température est 25◦C ?
11. On envoie le son de la même fréquence et de la même longueur d’onde dans un tube x et l’autre tube y puis ils se rencontrent en Z, le tube Z est l’interférence destructive voir la figure ci-dessous. Si la longueur d’onde est 0.4 m, combien le tube xsera plus long quey?
Leçon 10 : Caractéristiques des ondes sonores
1. Réflexions des ondes sonores
Lorqu’une onde sonore rencontre avec un obstacle ou une surface de séparation entre deux milieux différences, une partie d’onde sonore est réfléchie vers le milieu initial. Pour tester, on propose l’expérience suivante :
Expérience sur la réflexion d’onde sonore : en ap- pliquant un tube de carton, un contreplaqué et un haut-parleur voir l’installation ci-contre.
Lorsqu’on tourne les contreplaqués dans diffé- rences positions. À une position donnée de contre- plaqué, on sera bien entendre.
L’autres phénomènes par exemple : si on crie sur le mur, on entendra le son réfléchi mais l’intensité du son dépend de la distance entre nous et le mur. Géné- ralement, le sentiment d’entendre des oreilles pendant le son passe des oreilles aux systèmes cerveaux, le son restera à une durée environ 101 seconde à l’oreilles.
Si la durée du son réfléchi est plus petite que 101 seconde, on entendra une réver- bération naturelle ce phénomène peut se trouver si on crie sur le pot, crie dans la salle de bain, entre la vallée de deux falaises,...
Le phénomène de réflexion d’onde sonore resemble à l’autre phénomène de ré- flexion d’onde mécanique ou électromagnétique : onde à la surface de l’eau, onde lumineuse...
1) Le sens de propagation d’onde sonore (onde du son incidente) et onde réflé- chie est sur le même plan ;
2) L’angle incident est égal à l’angle réfléchi.
2. Réfractions des ones sonores
Activité :Installons un émetteur avec un haut-parleur dans une salon, modifions la fréquence avec un niveau du son adapté. Pendant la difusion, l’écouteur se déplace avec différences positions et on constate que l’écouteur entend le son différence à cause de la réfraction d’onde sonore.
Lorsqu’une onde sonore se déplace d’un mileu à l’autre, une partie d’onde sonore réfracte dans le milieu final. Par exemple : la réfraction d’onde so- nore dans la nature qu’on entend et qu’on voit : s’il y a la foudre mais quelque fois, on n’entend pas le tonnerre ; parce que l’onde sonore se déplace plus rapidement dans l’air chaude que dans l’air froid qui situé dans une altitude par rapport à la surface de la Terre. Signifie que la vitesse du son à une al- titude plus haut est plus petite qu’à la vitesse du son autour à la surface de la Terre.
FIGURE10.1 – La foudre mais n’entend pas la tonnerre
Donc, pendant la foudre et le tonnerre, l’onde sonore se déplace d’une zone atmosphérique de température plus basse à la surface de la Terre avec la tem- pérature plus haute, le son du tonnerre se réfracte de plus en plus vers le haut.
Si le son est réfracté totale alors qu’on voit la foudre mais on n’entend pas la tonnerre. Ce phénomène nous montre que le son peut réfracter.
La réfraction d’onde sonore est la modification instantanée du sens de propaga- tion d’onde sonore, quand elle se propage dans les milieux différentes ou même
milieu mais de température différentes, c’est à cause de la vitesse du son qui dans deux milieux est différence.
3. Interférences des ondes sonores
Activité : Installons un émetteur avec deux haut- parleurs, choix une fréquence de 3 kHz et modi- fions avec un niveau du son adapté. Plaçons les deux haut-parleurs sur la table, puis on écoute avec la différence position (chaque position est en pa- rallèle à la table) et on compare l’intensité du son qu’on entend chaque à position.
Le résultat d’expérience : Lorsqu’on debout à la posi- tion différence et on constate que certaine position on en- tend le son plus fort mais cer- taine position le son très fai- blement. Si on compare ce résultat avec la propagation d’onde à la surface de l’eau de deux sources,
FIGURE10.2 – Interférence de deux sources
lorsque deux ondes de même fréquence se rencontrent en un point, ce point est l’interférence constructive ou destructive. L’onde sonore a la même propriété que l’onde à la surface de l’eau (voir chapitre précédent). Donc, on peut dire qu’à la position où on entend le son lus forte est l’interférence constructive et la position où on entend le son très faible est l’interférence destructive. En conclu- sion,le son a une propriété d’interférence.Cette interférence est une propriété importante du son.
4. Diffractions des ondes sonores
Activité : l’expérience sur la diffraction d’onde sonore en branchant une source avec un haut- parleur, choix de la fréquence de 1 kHz avec ni- veau du son adapté. Plaçons le haut-parleur à côté d’une porte de la classe puis on écoute du son à l’autre côté de la porte (différences positions A, B, C par exemple).
1) Entendez-vous le son de différente intensités aux positions A, B et C ?
2) Si le son se déplace dans la direction rectiligne de la source et si il ne change pas le sens, entendez-vous le son à la position A et B ?
Le résultat d’expérience : au point A, ce point est à dernière l’obstacle, on entend le son faible par rapport aux points B, C. Cela signifie que le son peut se déplacer autour d’un obstacle. Donc, on conclut quel’onde sonore est diffractée.
Dans la vie quotidienne, on recontre plusieurs phénomènes de diffractions d’ondes sonores : la discusion des élèves, la chanson de la radio, la musique ..., on entend le son sans voir la source.
5. Ondes stationnaires des ondes sonores
Selon l’étude l’onde stationnaire des ondes à la surface de l’eau et ondes sur la corde vibrant dans le chapitre précédent. L’onde stationnaire est un phénomène de l’interférence des deux ondes de même fréquence et de même amplitude et se déplacent dans le sens contraire, cette onde est vibrée avec une amplitude maximale et sur l’autre point pas de vibration.
Selon l’étude, on constate que le son a une propriété d’une onde. Donc, onde stationnaire ou le phénomène d’interférence d’onde sonore peut exister comme l’onde à la surface de l’eau.
Pour étudier l’onde stationnaire d’onde sonore, on pro- pose une expérience suivante : branche un émetteur avec un haut-parleur de fréquence 3 kHz, puis modifier avec un niveau du son adapter. Place le haut-parleur sous une table de hauteur de 60 cm, utilise un tube pour écouter le son dans différentes positions entre la table et le haut-parleur.
Le résultat d’expérience : lorsque le son est émis du haut-parleur, il se propage et rencontre la table, puis il se réfléchit. Le son réfléchit de la table et se super- pose avec le son qui est émis par le haut-parleur, l’interférence des deux ondes sonores, crée une onde stationnaire. Dans la réalité, on entendra le son plus fort et plus faible dans différences positions entre la table et le haut-parleur. La posi- tion où on entend le plus fort est l’interférence constructive, on dit ce point est le ventre (antinœud d’onde sonore) et la position où on entend le plus faible, c’est le point d’interférence destructive, on dit ce point la nœud d’onde sonore.
L’onde stationnaire est un phénomène de l’interférence d’onde sonore incidente et d’onde sonore réfléchie puis elle crée un point du son plus fort et du son plus faible. La distance entre deux ventre à côté est λ2. La distance entre le ventre et la nœud consécutifs est λ4. La longueur d’onde stationnaire de deux fuseaux est λ.
Exercices
1. Quelles sont des propriétés d’ondes sonores ? explique chaque propriété.
2. Si on crie dans la classe, y a-t-il le son réfléchi ? pourquoi ?
3. Pourquoi on ne peut pas distinguer le son réfléchi et le son incident ?
4. Pourquoi dans une zone d’une falaise, on entend une réverbération mais pas dans une zone plane ?
5. Si on place un haut-parleur à côté d’un mur, lorsque le haut-parleur émet un son progressif, à certaines position entre le mur et le haut-parleur, pourquoi enten- drons le son différemment ?
6. Lorsqu’une onde stationnaire du son est créée, quelle est la distance entre deux nœudes successifs par rapport à sa longueur d’onde ?
7. Lorsqu’un avion vole et passe au-dessus notre tête, on constate que la source du son n’est pas de l’avion mais, c’est un point dans l’air derrière de l’avion.
Expliquer ce phénomène.
8. Si on tire un piston dans une vallée de deux falaises, on entend le son réfléchi deux fois repectivement 2 secondes et 3 secondes après le tir. Déterminer la distance entre deux falaises, sachant que la température est 40◦C et la vitesse du son dans l’air à 0◦C est 331 m/s, à chaque degré elle augmente de 0.6 m/s.
Leçon 11 : Phénomènes des ondes sonores
1. Battement du son
Activité :Comment réaliser un battement du son ?
Installons un émetteur avec deux haut-parleurs, choisissons une fréquence de 1 kHz et modifions ensuite sa fréquence. Écoutons le son en face des haut-parleurs.
Débranchons un des haut-parleurs et comparons leur son.
Le résultat de l’expérience : le son d’une source est un son régulier et progressif, le son de deux sources est un son de fréquences un peu différentes, ce dernier est appelé battement du son. Donc, le battement du son est une superposition d’onde sonores de deux sources de fréquences différentes.
Si la fréquence de deux sources est un peu différente, le battement est faible, et si la fréquence de deux sources est très différente, le battement est très fort. En géné- rale, notre oreille peut distinguer au maximum un bat- tement de 7 Hz.
L’onde sonore de deux sources avec fréquences f1 et f2, la différence n’est pas plus de 7 Hz. La superpo- sition du battement est alternativement forte et faible.
La fréquence du battement (∆f) est égale au nombre de battements par seconde.
∆f =|f2− f1| (11.1)
Le battement est non seulement créé par le même type de sources, il peut aussi être créé par différents types de sources. Par exemple, on trouve souvent ce phé- nomène dans le changement le rythme des instruments de musiques : comparai- son de rythme du violon par rapport au rythme d’un tube de fréquence standard.
Si la fréquence du violon n’est pas la même que la fréquence du tube du rythme de fréquence standard, on entendra le battement. Si la fréquence du violon est la même que la fréquence du rythme standard le battement aura disparu.
2. Niveau sonore et intensité sonore 2.1. Niveau sonore
Les fréquences des ondes sonores perceptibles par l’être humain se situent approximativement entre 20 Hz et 20 kHz. À une fréquence faible corres- pond un son grave (< 20 Hz), à une fréquence élevée un son aigu (>20 kHz).
Les fréquences sonores perceptibles par les animaux sont différences par rap- port au l’être humain, par exemple : le chat, crie à une fréquence de 760-1500 Hz, mais il perçoit de fréquence de 60-65000 Hz. Pour l’être humain, il crie de fréquence de 85-1100 Hz mais on perçoit de fréquence de 20-20000Hz.
Fréquence d’une source et fréquence entndre par l’homme et les animaux Source Fréquence d’entendre (Hz) Fréquence de production (Hz)
Insect 100-1500 7000-100000
Grenouille 50-10000 50-8000
Dauphin 150-150000 > 7000 Hz
Chauve-souris 1000-120000 10000-120000
Chat 60-65000 760-1500
Chien 15-50000 150-1500
Être humain 20-20000 85-1100
Studio 15-30000
Piano 30-4100
Violon 200-2650
Klaxon 190-990
Lorsqu’on entend un son, on peut dire que le son est plus grave ou aigu, cette différence dépend des fréquences. Le son grave a une fréquence faible quelque fois on dit infrasons, pour un son de haute fréquence, on dit ultra- sons. Il y a plusieurs de classement du niveau du son :
La classement des notes de musiques en scienctifiques
note C (Do) D (Ré) E (Mi) F (Fa) G (Sol) A (La) B (Si) C’ (Do)
fréquence (Hz) 256 288 320 341 384 427 480 512
Do (C) a une fréquence 256 Hz après Do est D, E, F, G, A et B. Pour le son C’, D’, E’, F’, G’, A’ et B’ ont la fréquence double de la fréquence respectivement de C, D, E, F, G, A et B. Et pour le son C", D", E", F", G", A" et B" ont la fréquence double de la fréquence respectivement de C’, D’, E’, F’, G’, A’ et B’. Pour jouer d’un intrument de musique, on peut jouer par note selon le rythme d’une chanson ou jouer de plusieurs notes en même temps. La classement internationale des notes de musique est le suivant :
La classement internationale des notes de musique
note C (Do) D (Ré) E (Mi) F (Fa) G (Sol) A (La) B (Si) C’ (Do) fréquence (Hz) 261.6 293.7 329.6 349.2 392 440 493.9 523.3
2.2. Intensité sonore
Lorsqu’une source vibre l’énergie de la vibration a été transformer aux mo- lécules de l’air jusq’à l’oreille d’écouteur. Le niveau d’écoute dépend de l’énergie que d’écouteur a reçue.
Quantité d’énergie émise par la source dans une unité du temps est appelée puissance sonore. Si l’écouteur est équidistance de deux sources, l’écouteur sera entendre bien le son de source haute puissance que la source de moins puissance.
Considérons la propagation d’onde sonore dans un plan, on constate que la surface d’onde sonore est un cercle dont la source est le centre du cercle. Donc, la surface d’onde sonore qui se propage dans un ins- tant est un cercle, et cette surface est de plus en plus grande par rapport à un point d’observation situe loin de la source.
Quantité d’énergie émise par la source dans une unité de la surface est ap- pelée intensité sonore. Si la puissance sonore est une constante, la relation entre la puissance sonore et l’intensité sonore est calculée par :
I = W At = P
A = P
4πR2 (11.2)
où I est l’intensité sonore exprime en watt par mètre carré (W/m2), P est la puissance sonore exprime en watt (W) ou joule par seconde (J/s) et R est la distance entre la source et le point de mesure l’intensité (ou point d’observa- tion) exprime en mètre (m).
On constate que si la puissance est une constatnte dans la relation précédente, l’intesité sonoreI est proportionnelle à l’inverse deR2.
I ∝ 1
R2 (11.3)
signifie qu’à la position de plus en plus loin de la source l’intensité sonore est de plus en plus faible. L’expérience nous montre que la capacité d’en- tendre pour l’oreille d’être humain est minimuale d’intensité 10−12W/m2 et maximale 1W/m2
Niveau d’intensité sonore
On utilise l’unité décibel (dB) pour mesurer l’insité sonore, la capacité d’en- tendre pour l’oreille d’être humain est 0-120 dB. Un instrument de mesure l’intensité sonore est appelé un sonomètre.
La relation entre l’intensité sonore et le niveau d’insité sonore est β =10 log I
I0 (11.4)
où I0 =10−12W/m2 intensité d’entendre minimale pour l’oreille d’être hu- main,β est le niveau d’intensité sonore en décibel (dB)
3. Qualités et pollutions sonores 3.1. Qualités sonores
La fréquence minimale d’une source sonore est appleée fréquence de base de la source. L’autre fréquence qui produit avec la fréquence de base est appelée harmonique de la fréquence de base. La fréquence du son égale à deux fois de la fréquence de base est appelée harmonique 2. La fréquence du son égale à trois fois de la fréquence de base est appeléeharmonique 3.
Les matériaux de sources sonores, pendant la vibration, ils émettent le son avec la fréquence de base et la fréquence de harmonique, le nombre de l’har- monique et l’intensité sonore sont différentes, donc, la propriété d’onde so- nore émise est différence.
Pour la source sonore différence, sa caractéristique du son est appelée la différence de qualité sonore. La qualité sonore nous permet de distinguer différentes sources sonores.
3.2. Pollutions sonores
Lorsqu’on entend le son de percer la rue, de l’avion, acoustique, ... vous sentez comment ?
La plus part du problème de pollution sonore, vient des véhicules notam- ment, la véhicule ancien. D’autre part le problème de la pollution sonore se situe autour de la construction, l’aéroport, l’autoroute, l’usine indutrielle, ...
ces problèmes se trouvent dans une grande ville.
Le son d’intensité plus haut, lorsqu’on écoute long temps et suvent, on aura un problème d’oreille et problème du système cerveau. Donc, cette zone est touchée par la pollution sonore. Pour les travailleurs qui travaillent près de la zone de pollution sonore, il faut mettre les matérels de protéger du son pour diminuer l’insité sonore.
Durée maximale d’exposition sans protecteur individuel contre le bruit dans certain pay (seuil d’audibilité)
Durée d’exposition maximale en heures Niveau sonore en (dB)
< 7h/j 91
7-8 h/j 90
>8 h/j 80
4. Oreille et entendre
L’oreille a pour rôle l’entendre. L’oreille com- prend trois parties : l’oreille externe, l’oreille moyenne et l’oreille interne.
l’oreille externe : Elle comprend le pavillon qui capte et concentre les ondes sonores, le canal auditif externe, par lequel transitent les ondes sonores, ainsi que le tympan qui vibre sous l’effet de ces ondes.
l’oreille moyenne : C’est un organe de trans- mission des vibrations sonores du tympan à l’oreille interne. Elle comprend la cavité du tympan (chambre contenant de l’air), ainsi que la chaine des osselets (marteau, enclume et étrier).
L’oreille interne : L’oreille interne est aussi appelée labyrinthe, étant donnée sa forme compliquée. Sa situation dans l’oreille protège les délicats récepteurs
qu’elle abrite. Elle comprend deux grandes divisions : le labyrinthe osseux et le labyrinthe membraneux. Le labyrinthe osseux est rempli d’un liquide : le pé- rilymphe, dans lequel baigne le labyrinthe membraneux qui contient un autre liquide, l’endolymphe.
5. Effet Doppler
Utilise une extrémité d’un crayon perturbe la surface de l’eau progressivement dans un même point, on constate que l’onde circulaire se propage dans tout des sens. Signifie que la fréquence et la longueur d’onde est la même à gauche et à droite de la source. De même que précédemmente mais, on déplace le point de perturbation vers la droite à une vitesse constante et on constate que la surface d’onde se propage différentes. La longueur d’onde que la source s’approche est plus courte que la longueur d’onde de la source s’éloigne. La fréquence émise est différentes aussi.
Pour l’onde sonore est la même que l’onde à la sur- face de l’eau, si la source sonore est fixé, l’observateur s’approche la source, il entend le son de plus courte parce que l’observateur perçoit la fréquence de haute.
Aux contraires, si l’observateur s’éloigne la source, il entend le son plus long parce que l’observateur perçoit la fréquence de plus faible.
Dans le cas où la source se déplace, l’observateur est fixé. Si la source s’ap- proche, l’observateur entend le son de plus en plus courte, la fréquence est plus grande que la fréquence de la source. Si la source s’éloigne, l’observateur entend le plus en plus long, la fréquence est plus faible que la fréquence de la source.
Le phénomène que l’observateur entend le son de fréquence différente de la source, soit l’observateur ou la source se déplace. Ce phénomène est appeléeffet Doppler.
Soit f0 la fréquence d’une source, vs sa vitesse et v la vitesse du son dans l’air.
Le déplacement du son est
s= (v−vs)t (11.5)
Si la source se déplace à une vitesse vs, la longueur d’onde λ1 et la fréquence perçue par l’observateur f1 deviendra :
si la source sonore s’approche λ1 = v−vs
f0 f1= v
λ = ( v
v−vs)f0 (11.6) si la source sonore s’éloigne
λ1 = v+vs
f0 f1= v
λ = ( v
v+vs)f0 (11.7) avec f0 : fréquence émise
f1 : fréquence perçue
v: célérité du milieu ambiant λ : longueur d’onde résultante
vs : vitesse de déplacement de la source sonore
Nous pouvons pr’eciser ici que ce phénomène est également valable lorsque l’observateur se déplace et la source sonore fixe. La fréquence perçue sera plus élevée lorsque l’observateur s’approche de la source sonore et plus basse lors- qu’il s’en éloigne. Dans ce cas, le calcul de cette fréquence perçue devient : si l’observateur s’éloigne
f′ = v
λ = (v−v0
v )f0 (11.8)
si l’observateur s’approche
f′ = v
λ = (v+v0
v )f0 (11.9)
avec f0 : fréquence émise f′ : fréquence perçue v: célérité résultante
λ longueur d’onde de la source sonore v0 : vitesse de déplacement de l’observateur 6. Utiles sonores
Selon la réflexion d’onde sonore, plusieurs animaux peuvent vivre dans la nature sans danger : le chauves souris sont les animaux qui cherchent à manger dans la nuite, ils peuvent diffracter l’obstacle et peuvent savoir la position leurs nourri- tures, parce que chauves souris émmettent une onde de plus vite que la vitesse du son, rencontre avec l’obstacle ou la nurriture, cette onde réfléchie vers des chauves souris. Donc, ils peuvent savoir la position de cible exactement. Même principe pour les dauphins
FIGURE11.1 – Utilisation des ondes sonores pour chasser des nurritures des animaux
6.1. Utile dans l’architecture
On constate que le son réfléchi du mur, du sol, du plafond d’une salle est une réverbération, notamment pour la salle de mur et le sol en tuile. Donc, pour une salle de studio, pour diminuer la réverbération et pour bien recorde d’une album musique. Les architechteurs doivent prévenir le niveau addapté de réverbération et quels matériaux doit-on utiliser pour construire une salle de réunion : le tapie, le rideau, le papier d’absorber le son, ...
6.2. La pêche
Les pêcheurs sur la mer utilisent un sondeur (ou sonar ; sonar-sound navigation and ranging) de fré- quence entre 20-100kHz pour chercher la posi- tions des poissons, la même chose pour chauves souris utilisent le sondeur pour chercher les nurri- tures.
Signifie qu’utilise le sonar pour émet une onde de plus fréquence que le son progressivement, lors d’onde rencontre avec les poissons, elle réfléchie vers le bateau et le signal reçu a transfert au signal électrique dans la machine analyse, apès renvoie le résultat à l’écran, donc, on peut savoir où est les poissons.
6.3. En médecine (l’échographie)
Aujoud’hui, en médecine on utilise l’onde sonore de haute fréquence (ultrason) pour écho (dianostique) les organes à l’intérieur du patient ou pour chercher l’ano- malie du corps par exemple écho la langue, le cœur, voir le bébé dans l’utérus, tumeur,...
parce que l’onde sonore de haute fréquence peut réfléchir à l’épidémie du tissu plus bien que le rayon-X. L’ultrason de haute fréquence utilise en mé- decine est obtenue par la trasfert l’énergie électrique à l’énergie d’onde so- nore en utilisant le circuit électrique de fréquence entre 1-10MHz. L’onde sonore pénètre dans la peau et rencontre avec la différence d’épidémie du tissu, l’onde réfléchie est différence aussi. Le récepteur d’onde réfléchie va convertir l’onde réfléchie en signal électrique, et lorsqu’il passe l’analyse, le signal électrique sera convertir en image à l’écran.
6.4. Dans l’archéologie
On peut explorer des ressources mini- rales par l’analyse les différences ni- veaux de roches, l’archéologiste en- voie le son à haute fréquence par une explosion à la surface de la Terre. À la surface de la Terre se compose de différente niveau de pierre de carac- téristique et de densité différence. Le son à haute fréquence d’une explo- sion pénètre dans différence niveau du décore de la Terre puis réfléchie de chaque niveau.
L’onde réfléchie à la surface de la Terre va convertir au signal électrique et entre à l’instrument d’analyse et envoie le résultat à l’écran les caractéris- tiques des différences pierres.
6.5. Ingénierie et industrie
En ingénierie, les ingénieurs utilise le son aigu pour tester la trace ou l’anor- malie dans les métaux, verre ou céramique, en evoyant un son de fréquence 500kHz-15MHz dans les matériaux qu’on veut tester puis analyse le si- gnal du son réfléchie ou le son qui passe les matériaux. Cette méthode peut s’appliquer pour tester les pneus neuf, la mesure l’épaisseur du métaux ou l’autres solide même si le son ne peut pas passer le matériau par exemple tester l’épaisseur du pot de bouillir à haute pression dans usine industrielle.
L’onde à haute énergie peut appliquer dans divers domaines dans le net- toyage les utiles de petite dimension en appliquant la vibration d’onde so- nore à haute énergie : les accessoires d’horloge et d’optique. Parce que la fréquence des particules n’est pas la même que la fréquence des matériaux.
Donc, les particules seront éjecter du matériau.
L’étude la réflexion d’onde sonore peut conduire à conclure que la réflexion d’onde sonore est réaliste lorsque l’objet ou l’obstacle a une dimension plus grande ou égale à la longueur d’onde sonore incidente. Donc, les scienti- fiques ont utiisés le caractéristique de réflexion d’onde sonore dans la pêche qu’on appelle sonar, en evoyant l’onde sonore à haute fréquence du bateau ; lorsque l’onde sonore rencontre avec les obstacles, les pierres, les poissions, le fond de mer de dimension plus grande ou égale à la longueur d’onde so- nore émise puis l’onde réfléchie vers la source et le recepteur nous permet da calculer la distance entre le bateau et l’obstacle.
Exercices
1. Qu’est-ce qu’un phénomène de battement sonore ? quelle est la relation pour calculer la fréquence du battement
2. Qu’est-ce qu’une intensité sonore ?
3. Qu’est-ce qu’un niveau d’intensité sonore ? quelles sont ses relations ? 4. Dans quel intervalle l’oreilles d’être humain peut écouter ?
5. Quels sont les utiles et des inconvénients du son sonores ?
6. Pourquoi l’observateur (ou l’écouteur) entend le son de plus en plus courte ou de plus en plus long lors de la source sonore s’approche ou s’éloigne ?
7. Pourquoi utilise-t-on un sonar pour émettre la plus haute fréquence sonore ? 8. Combien l’intensité du son maximale peut-on écouter ?
9. Combien de décibel de niveau d’intensité sonore qu’il ne faut pas écouter plus de 8 heures par jours ?
10. Lorsqu’on perturbe deux diapasons, on obtient la longueur d’onde sonore res- pectivement 6.86 cm et 6.87 cm. Déterminer le nombre de fréquence par se- conde de battement crée par des diaposons, si la vitesse du son dans l’air est de 350 m/s.
11. Un sondeur, dans un bateau émise un son sous la mer et perçoit un son réfléchi après 5s. Si la vitesse du son dans la mer est de 1450 m/s, quelle est la profondeur de la mer ?
