Émission et perception d'un son — exercices corrigés

Quelle est l'origine de tout son ?

Un son peut se propager dans le vide, comme le fait la lumière.

Dans lequel de ces milieux un son ne peut pas se propager ?

Quelle est la valeur approchée de la vitesse du son dans l'air, à température ordinaire ?

Dans quelle unité s'exprime la fréquence $f$ d'un son ?

Dans quelle unité du Système international s'exprime la période $T$ d'un signal sonore ?

Quelle relation lie la fréquence $f$ à la période $T$ ?

De quelle grandeur physique dépend la hauteur d'un son (grave ou aigu) ?

Un son aigu a une fréquence plus élevée qu'un son grave.

Dans quelle unité s'exprime le niveau sonore $L$ ?

De quelle caractéristique du signal dépend principalement le niveau sonore (fort ou faible) ?

Le timbre est le caractère du son qui permet de :

Un son musical correspond à un signal périodique, c'est-à-dire un signal dont le motif se répète à intervalles réguliers.

Le signal sonore d'un diapason a une période $T=\mathrm{0,002}\text{ s}$.

Calcule sa fréquence $f$ (en Hz).

Un son a une fréquence $f=250\text{ Hz}$.

Calcule sa période $T$ (en s).

Quel est, en ordre de grandeur, le domaine des fréquences audibles par une oreille humaine jeune ?

Vers quel niveau sonore situe-t-on le seuil de douleur, à partir duquel un son provoque une douleur immédiate ?

Quand Yasmine parle, qu'est-ce qui vibre pour produire le son de sa voix ?

Le son se propage à la même vitesse dans l'air, dans l'eau et dans l'acier.

Quelle relation permet de calculer la vitesse $v$ du son à partir de la distance $d$ parcourue et de la durée $\mathrm{\Delta }t$ ?

Sur l'enregistrement de la corde du guembri, Yasmine lit que le motif du signal se répète toutes les $4\text{ ms}$.

Calcule la fréquence $f$ du son (en Hz).

Un haut-parleur de la sono d'un concert à Casablanca émet un son pur de fréquence $f=500\text{ Hz}$.

Calcule la période $T$ de ce son et exprime-la en millisecondes (ms).

Sur un même enregistrement, le guembri a une fréquence $f_1=100\text{ Hz}$ et les qraqeb une fréquence $f_2=4000\text{ Hz}$.

Que peut-on en conclure ?

Un coup de canon est tiré au port d'Essaouira. Yasmine se trouve à $d=680\text{ m}$ de la source. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

Quelle durée $\mathrm{\Delta }t$ met le son pour lui parvenir (en s) ?

Pendant un orage près d'Ifrane, Amine compte $3\text{ s}$ entre l'éclair et le coup de tonnerre. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

À quelle distance $d$ la foudre est-elle tombée (en m) ?

Le maâlem frappe la peau de son tambour plus fort, sans changer de note. Le son devient plus fort mais sa hauteur reste la même.

Un guembri et une flûte jouent exactement le même « la » à $440\text{ Hz}$, au même volume. Pourtant Yasmine les reconnaît les yeux fermés.

Qu'est-ce qui diffère entre les deux signaux sonores ?

Sur un enregistrement, Karim mesure que trois périodes successives du signal occupent une durée totale de $\mathrm{7,5}\text{ ms}$.

Calcule la fréquence $f$ du son (en Hz).

Yasmine entend la sirène d'un bateau au large d'Essaouira $\mathrm{5,0}\text{ s}$ après l'avoir vue clignoter. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

À quelle distance $d$ se trouve le bateau (en m) ?

Karim affirme : « Un sifflement aigu est forcément un son fort. »

Cette affirmation est-elle correcte ?

Yasmine compare deux enregistrements. Le premier montre une courbe dont le motif se répète régulièrement ; le second montre une courbe désordonnée sans motif qui se reproduit.

Que peut-on en déduire ?

Un accordeur indique que le « la » de référence a une fréquence $f=440\text{ Hz}$.

Calcule la période $T$ de ce son et exprime-la en millisecondes (ms), arrondie au centième.

De quoi dépend le risque qu'un son représente pour l'audition ?

Salma affirme : « Un son de $90\text{ dB}$ est exactement deux fois plus intense qu'un son de $45\text{ dB}$, puisque $90=2\times 45$. »

Cette affirmation est-elle correcte ?

Parmi ces situations du quotidien, laquelle correspond au niveau sonore le plus élevé ?

Lors d'une expérience dans la cour du lycée, on mesure qu'un son met $\mathrm{\Delta }t=\mathrm{0,50}\text{ s}$ pour parcourir une distance $d=170\text{ m}$.

Calcule la vitesse $v$ du son (en m/s).

Deux sons sont enregistrés. Le son A a une période $T_A=5\text{ ms}$, le son B une période $T_B=1\text{ ms}$.

Lequel est le plus grave ?

Lors d'un feu d'artifice à Rabat, on voit l'explosion lumineuse avant d'en entendre la détonation, parce que la lumière voyage beaucoup plus vite que le son.

Amine baisse le volume de son enceinte sans toucher à la musique elle-même. Quelle caractéristique du son a-t-il modifiée ?

Yasmine repère deux maxima consécutifs sur l'enregistrement du guembri et lit que l'intervalle qui les sépare est $T=5\text{ ms}$.

Calcule la fréquence $f$ du son (en Hz).

Devant un film de science-fiction, Amine entend l'explosion d'un vaisseau dans l'espace et affirme : « C'est réaliste : le son de l'explosion traverse le vide spatial jusqu'à nous, exactement comme la lumière du flash. »

A-t-il raison ?

Sur l'enregistrement d'une note de oud, Salma lit que le motif se répète $500$ fois par seconde. Elle écrit alors : « La période de ce son vaut donc $T=500\text{ Hz}$. »

Où est l'erreur dans la phrase de Salma ?

Dans une ruelle de la médina, Yasmine pousse un cri et entend l'écho lui revenir $\mathrm{\Delta }t=\mathrm{0,40}\text{ s}$ plus tard, renvoyé par un mur. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

À quelle distance $d$ se trouve le mur (en m) ?

Au festival gnaoua d'Essaouira, Yasmine enregistre le maâlem avec son téléphone. De retour au lycée, le logiciel affiche le signal sonore en fonction du temps. Elle lit que le motif de la corde du guembri se répète toutes les $5\text{ ms}$, et que le niveau crête atteint $102\text{ dB}$ près de la scène. On donne $v=340\text{ m/s}$.

(a) Calcule la fréquence $f$ du son du guembri. (b) Le guembri est-il un instrument plutôt grave ou plutôt aigu ? Justifie. (c) Le niveau de $102\text{ dB}$ présente-t-il un risque pour l'audition ? Justifie.

Karim mesure une période $T=2\text{ ms}$ sur un enregistrement et écrit : « $f={\displaystyle \frac{1}{T}}={\displaystyle \frac{1}{2}}=\mathrm{0,5}\text{ Hz}$. »

Explique pourquoi son résultat est faux, puis donne le bon calcul.

Un bateau de pêche au large d'Agadir utilise un sonar : il émet un son sous l'eau et reçoit l'écho réfléchi par le fond marin $\mathrm{\Delta }t=\mathrm{0,20}\text{ s}$ plus tard. La vitesse du son dans l'eau de mer est $v=1500\text{ m/s}$.

Quelle est la profondeur $d$ du fond sous le bateau (en m) ?

Salma observe deux enregistrements de sons purs. Le son 1 a une amplitude deux fois plus grande que le son 2, mais les deux ont exactement la même période. Salma conclut : « Le son 1 est plus aigu que le son 2. »

A-t-elle raison ? Justifie en distinguant les caractéristiques en jeu.

Lors d'un orage au-dessus de Fès, Amine voit un éclair puis entend le tonnerre $\mathrm{7,0}\text{ s}$ plus tard. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$, et on néglige le temps de propagation de la lumière.

À quelle distance $d$ l'éclair est-il tombé (en m) ?

Sur un même écran, on superpose les signaux de deux instruments d'un orchestre andalou de Tétouan jouant la même note au même volume. Les deux courbes ont la même période et la même amplitude, mais des formes différentes.

Quelle est la seule différence audible entre ces deux sons ?

Pour mesurer précisément la fréquence d'un son, Yasmine ne lit pas une seule période mais quatre périodes successives sur l'écran. Elle trouve que ces quatre périodes occupent une durée totale de $\mathrm{5,0}\text{ ms}$.

Calcule la fréquence $f$ du son (en Hz).

À un concert à Casablanca, le niveau sonore devant la scène est de $105\text{ dB}$. Plus loin, vers le fond de la salle, il n'est plus que de $85\text{ dB}$. Amine veut rester deux heures.

(a) Ces deux niveaux dépassent-ils le seuil de risque ? Justifie. (b) Pourquoi le niveau diminue-t-il quand on s'éloigne de la scène ? (c) Amine dit : « Au fond, à $85\text{ dB}$, je ne risque rien puisque ce n'est pas le seuil de douleur. » A-t-il raison ?

Au départ d'une course au stade de Marrakech, un starter tire un coup de pistolet. Un spectateur dans les gradins voit la fumée et entend la détonation $\mathrm{1,0}\text{ s}$ plus tard. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

À quelle distance $d$ le spectateur se trouve-t-il du starter (en m) ?

Karim affirme : « Quand un muezzin appelle à la prière depuis un minaret, tout le quartier l'entend exactement au même instant, parce que le son voyage instantanément. »

Explique pourquoi Karim se trompe, et estime le retard pour un habitant situé à $1020\text{ m}$ du minaret. On donne $v=340\text{ m/s}$.

Parmi les affirmations suivantes sur la perception d'un son, laquelle est correcte ?

Karim colle son oreille à un long rail de chemin de fer à Casablanca. À $1700\text{ m}$ de là, un ouvrier frappe le rail. Le son se propage à la fois dans le rail (acier, $v_{\text{acier}}=5100\text{ m/s}$) et dans l'air ($v_{\text{air}}=340\text{ m/s}$).

(a) Calcule la durée que met le son pour arriver par l'acier. (b) Calcule la durée que met le son pour arriver par l'air. (c) Karim entend donc deux fois le même coup. Lequel arrive en premier, et avec quel écart ?

Sur un oud, une corde grave vibre à $f_1=200\text{ Hz}$ et une corde aiguë à $f_2=1000\text{ Hz}$.

Calcule la différence entre les deux périodes, $T_1-T_2$, et exprime-la en millisecondes (ms).

Au laboratoire du lycée, Yasmine place une sonnerie qui sonne sous une cloche de verre, puis pompe l'air pour faire le vide à l'intérieur. Elle constate qu'elle continue à voir le marteau frapper, mais qu'elle n'entend plus la sonnerie.

(a) Pourquoi le son disparaît-il quand on fait le vide ? (b) Pourquoi continue-t-elle à voir le marteau frapper ? (c) Que conclut-elle sur la nature du son par rapport à celle de la lumière ?

Face à une falaise près de Chefchaouen, Amine crie et entend l'écho revenir $\mathrm{1,5}\text{ s}$ plus tard. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

À quelle distance $d$ se trouve la falaise (en m) ?

Amine écoute de la musique au casque à $95\text{ dB}$ pendant tout le trajet en train de Marrakech à Casablanca (environ $3\text{ h}$). Il dit : « Ce n'est pas assourdissant, je ne ressens aucune douleur, donc c'est sans danger. »

Discute la position d'Amine en t'appuyant sur les notions de seuil et de durée.

On modifie un enregistrement sonore en doublant son amplitude sans rien changer d'autre. Que devient le son perçu ?

Pour mesurer une distance, on dispose deux micros le long d'une avenue de Casablanca. Un claquement sec est produit près du premier micro. Le second micro, plus loin, enregistre le même son avec un retard de $\mathrm{\Delta }t=\mathrm{0,30}\text{ s}$ par rapport au premier. La vitesse du son dans l'air est $v=340\text{ m/s}$.

Quelle distance $d$ sépare les deux micros (en m) ?

Yasmine analyse l'enregistrement d'un tambour gnaoua. Le logiciel lui donne trois informations : le motif du signal se répète toutes les $8\text{ ms}$, le niveau crête est de $98\text{ dB}$, et un écho de la frappe revient $\mathrm{0,50}\text{ s}$ après le son direct, renvoyé par le mur du fond. On donne $v=340\text{ m/s}$.

(a) Calcule la fréquence $f$ du son et indique s'il est plutôt grave ou aigu. (b) Le niveau de $98\text{ dB}$ est-il préoccupant pour l'audition ? Justifie. (c) À quelle distance se trouve le mur qui renvoie l'écho ?