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La vitesse de propagation d'un son

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Objectif

Déterminer la vitesse de propagation d’un son.

Niveau préconisé : 4^e ou 3^e

Points clés

La vitesse de propagation d’un son, ou onde sonore, varie suivant le milieu où le son se propage.
La vitesse du son est égale à zéro dans le vide, et elle augmente en fonction du milieu. Un milieu solide est plus dense qu’un milieu liquide et qu’un milieu gazeux, le son se propagera donc plus vite.
La vitesse de propagation des ondes sonores dans l’air est de l’ordre de 340 m/s, ou encore de l’ordre de 1224 km/h.
On retiendra que :

avec :
- v la vitesse du signal sonore (en m/s) ;
- d la distance parcourue (en m) ;
- Δt (delta t) le temps mis par le son pour parcourir la distance d (en s).

1. Déterminer la vitesse d'un son

Dans un milieu homogène et transparent, la vitesse du son est constante (elle ne change pas).
Elle est égale au quotient (au rapport) de la distance que le son a parcouru, par le temps qu’il a mis pour parcourir cette distance.

La vitesse d’un son se calcule donc en divisant la distance d parcourue par la durée Δt nécessaire pour parcourir cette distance. On note alors :

avec :

v la vitesse du signal sonore (en m/s) ;
d la distance parcourue (en m) ;
Δt (delta t) le temps mis par le son pour parcourir la distance (en s).

Exemple
Lorsqu’on parcourt 500 m en 40 s, la vitesse moyenne linéaire est

Remarques

La vitesse du signal sonore est exprimée en m/s ou en km/h.
Si la distance parcourue par le son est exprimée en kilomètre et si la durée pour parcourir cette distance est en heure alors la vitesse du son s’exprimera en km/h.
Pour passer d’une vitesse exprimée en m/s à une vitesse exprimée en km/h et inversement, on utilise le rapport suivant :

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

Plusieurs mesures sont ainsi nécessaires afin de trouver une relation entre la distance parcourue par le son et la durée de propagation.

2. Les variations de la vitesse d'un son selon le milieu traversé

La vitesse du son dépend du milieu traversé.

Le son ne se déplace pas dans le vide car il n’y a pas de matière avec laquelle l’onde sonore peut s’aider pour se propager.

Les sons 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 :

Vitesse _gaz < Vitesse _liquide < Vitesse _solide

Exemple
Voici à titre indicatif quelques vitesses du son dans différents milieux.

Différentes vitesses de propagation du son en fonction du milieu
Milieu	Air			Eau	Mur en béton	Verre
	à –10 °C	à 20 °C	à 30 °C
Vitesse (en m/s)	325	340	350	1480	3100	5300

Remarque
La vitesse du son dans l’air augmente avec la température. Si on compare la vitesse du son dans l’air avec d’autres milieux, on s’aperçoit que le son est finalement très lent dans l’air.

3. Un exemple de calcul de la vitesse d'un son

Des élèves souhaitent retrouver la vitesse de propagation du son 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 son 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 son dans l'air entre deux récepteurs.

Montage pour mesurer la vitesse de propagation d'un son 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 son arrive au niveau du premier récepteur et le moment où le son arrive au niveau du second récepteur, il y a un décalage de 3,5 ms.

Le son met donc 3,5 ms (millisecondes), soit 0,0035 s, pour parcourir 1,20 m. La vitesse est égale à .