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Les conditions de propagation d'un son

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Objectif

Décrire les conditions de propagation d’un son.

Niveau préconisé : 5e

Points clés
  • Un son est une vibration qui se propage de proche en proche à travers la matière (dans l’air, dans l’eau, etc.).
  • Le son ne peut pas se propager dans le vide.
  • Dans le cas de la propagation d’une onde sonore, il y a toujours un émetteur et un récepteur de ce signal sonore.
  • Dans un milieu liquide, le son se déplace plus rapidement que dans l’air.
  • Attention à utiliser des émetteurs avec des intensités limitées (pour protéger l’oreille humaine).
1. Introduction à la propagation du son
a. Définition du son
Le son, ou onde sonore, est une vibration qui se déplace (qui se propage) dans différents milieux.
Exemples : des notes de musique, des sons émis par l’Homme.
Le chant d’une chorale

Le milieu matériel (qui contient de la matière) où le son se propage peut être l’air qui nous entoure, mais aussi l’eau, l’acier, le corps humain, etc.

Exemple 
On peut utiliser un signal sonore pour observer la croissance d’un bébé avant sa naissance.
Échographie d’une femme enceinte
b. Définition de la propagation d'un son

La propagation d’un son ou d’une onde sonore correspond à une mise en mouvement des particules qui constituent le milieu traversé. Dans ce cas, les particules d’air sont mises en mouvement et le son peut se déplacer de proche en proche.

Propagation d'une onde sonore dans l'air
Remarque 
Lors du déplacement de la propagation du son, il n’y pas de déplacement de la matière qui est traversée.
Exemple 
Lorsqu’une personne parle, le déplacement du son est assuré grâce aux molécules dans l’air qui transportent l’information sonore.
Déplacement du son émis par la bouche

Dans le cas de la propagation d’une onde sonore, il y a toujours :

  • un émetteur (par exemple un haut-parleur, la corde vocale) ;
  • un récepteur de ce signal sonore (par exemple l’oreille ou le microphone).
Exemple 
C’est le cas du son émis par un instrument de musique qui est « reçu » par l’oreille humaine.
Propagation du son de l'émetteur au récepteur
c. Les conditions de propagation du son

Les signaux sonores ont besoin d’un milieu matériel pour se déplacer.

Les gaz (l’air, l’hélium, etc.), les solides (les murs, le verre, l’acier, le plastique, le bois, etc.) et les liquides (l’eau, le vinaigre, l’huile, etc.) composent ces milieux matériels.

Exemple 
Le son qui est produit par les instruments se déplace grâce à l’air qui se trouve dans une salle de spectacle.
Concert de musique classique
Salle de concert
2. Expérience qui vérifie la propagation d'un son dans l'air

Voici une expérience qui permet d’observer, et surtout d’entendre, la propagation d’un son. C’est l’expérience de la cloche à vide.

Un réveil est placé sous une cloche à vide en verre.

Propagation du son émis par un réveil, dans l'air et dans le vide
Cas 1

On fait sonner le réveil. Les cloches vibrent et communiquent ces vibrations à l’air qui est sous la cloche, puis de proche en proche vers la cloche en verre, puis à l’air qui se trouve en dehors de la cloche.

La sonnerie du réveil est alors perceptible à l'extérieur de la cloche par l’oreille.

Cas 2

On fait le vide à l'intérieur de la cloche. Au fur et à mesure que le vide se fait sous la cloche, le son est de moins en moins perceptible.

Au bout d’un certain temps, plus aucun son n’est perceptible par l'oreille à l’extérieur de la cloche.

Pendant ce temps, les cloches du réveil continuent à vibrer. On peut les voir bouger !

Explication : Lorsque le vide est atteint, il n’y a plus de milieu matériel sous la cloche (l’air est absent). Le son ne peut plus se propager car il n’existe plus de matière pour assurer ce déplacement.

Conclusion de l’expérience

Sans un milieu matériel, les signaux sonores ne peuvent pas se propager.

Le son ne se propage pas lorsqu’il n’y a pas d’air, car il ne peut pas se propager dans le vide.
Remarque 
Dans les films de science-fiction qui se passent dans l’espace, où il n’y a pas d’air, les sons ne devraient pas être « audibles ».
3. Cas où le milieu de propagation du son est de l'eau

Lorsque le milieu de propagation du son est de l’eau, le déplacement du son est assuré par la matière qui constitue l’eau.

Dans ce cas, le milieu que traverse le son est un liquide (l’air est un ensemble de gaz).

Dans un milieu liquide, le son se déplace plus rapidement que dans l’air car la masse de ce liquide est plus grande que la masse de l’air.

L’onde sonore pourra alors se déplacer plus rapidement, en s’aidant pour cela de la matière traversée par le son. Dans ce cas, encore, le son est audible.

Remarque 
Le son se déplace plus rapidement dans l’eau que dans l’air car il y a plus de « matière » dans l’eau que dans l’air.
Dans l’eau, la vitesse du son est de l’ordre de 1500 m/s alors que dans l’air elle est de l’ordre de 340 m/s.
Exemple :
La vitesse du son dans l’eau est celle employée par les sous-marins pour connaitre les fonds marins.
L’utilisation du sonar permet aussi aux pêcheurs de détecter la présence des bancs de poissons.

Le sonar envoie un signal sonore puis il reçoit le même signal quelques temps après (aller et retour). Un logiciel calcule alors la profondeur de l’eau ou la situation des bancs de poissons.
Pour cela il utilise la formule :
 
avec :
  • d la profondeur de l'eau (ou la distance entre le bateau et le banc de poissons) ;
  • v la vitesse du signal sonore (ultrasons dans l'eau) ;
  • Δt le temps d'un aller OU d'un retour 
Détection du fond marin (puis d'un banc de poissons) grâce à un sonar
4. Les risques auditifs

L’oreille est le récepteur du son chez l'Homme. Elle peut être abimée si le son est trop fort. Le tympan peut alors être endommagé de façon irréversible. L’intensité du son ne doit donc pas être trop élevée.

Exemple
Lors d’un concert, il ne faut pas se mettre trop près des enceintes.

Si l’oreille humaine peut « entendre » des sons graves et des sons aigus, il ne faut pas que ces sons dépassent certaines limites.

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