La vitesse de propagation d'un signal sonore

Dans un milieu homogène et transparent, la vitesse de propagation d’un signal sonore, aussi appelée célérité du son, est constante (elle ne change pas).

Elle est égale au quotient (au rapport) de la distance que le signal sonore a parcourue, par la durée qu’il a mise pour parcourir cette distance.

Exemple
La vitesse du signal sonore dans l’eau est ce qu’utilisent les sous-marins pour connaitre les fonds marins. L’utilisation du signal sonore permet aussi aux pêcheurs de détecter la présence des bancs de poissons.
Le sonar du bateau envoie un signal ultrasonore puis il reçoit le même signal quelque temps après (aller et retour). Un logiciel calcule alors la profondeur de l’eau ou la position des bancs de poissons.
Pour cela il utilise la formule :

d = v × Δt

avec : d la profondeur de l’eau (ou la distance entre le bateau et le banc de poissons) v la vitesse du signal ultrasonore dans l’eau Δt la durée d’un aller OU d’un retour =

Détection du fond marin puis d un banc de poissons grâce à un signal sonore

Pour déterminer la vitesse de propagation d’un signal sonore dans un milieu matériel, il faut mesurer la durée entre l’émission et la réception du signal sonore lorsqu’il parcourt une certaine distance.

Comparaison de la vitesse de propagation d’un signal sonore dans un milieu par rapport à la vitesse du signal sonore dans l’air (343 m/s).

	Avion	Signal sonore dans l’eau	Lumière dans le vide	Vélo
Vitesse  (en m/s)	200	1 500	3,00 × 108	1,2
Rapport	0,58	4,4	8,7 × 105	0,0035

La vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air est donc très petite devant la vitesse de la lumière dans le vide.

Les signaux sonores se déplacent plus vite dans les liquides et les solides (où les particules se touchent) que dans les gaz (où les particules peuvent être éloignées les unes des autres).

On a donc :

Des élèves souhaitent retrouver la vitesse de propagation du signal sonore dans l’air.

Pendant un cours de travaux pratiques, ils placent deux récepteurs (deux micros) à une distance l’un de l’autre de 1,20 m.

Un des élèves émet alors un bruit bref dans la direction des deux récepteurs. Le signal sonore émis n’arrive pas en même temps aux deux récepteurs. Un logiciel enregistre ce décalage temporel.

Voici le montage pour mesurer la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air entre deux récepteurs.

Montage pour mesurer la vitesse de propagation d’un signal sonore dans l’air entre deux points

À partir du signal obtenu sur l’écran de l’ordinateur, les élèves lisent qu’entre le moment où le signal sonore arrive au niveau du premier récepteur et le moment où le signal sonore arrive au niveau du second récepteur, il y a un décalage de 3,5 ms (millisecondes).

Le signal sonore met donc 3,5 ms, soit 0,0035 s, pour parcourir 1,20 m.

La vitesse est égale à .

La vitesse du signal sonore dans l’air est donc ici égale à 343 m/s.