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Sciences — Physique ⑤ Notions d'acoustique (dans le domaine physique-technologie 10 %)
Le cadrage officiel (corrigé)
Les notions d'acoustique ferment la liste des cinq sous-domaines du domaine « sciences physiques et technologie » (10 % de l'épreuve de sciences). Le document officiel retient cinq contenus : production et propagation du son ; le son, onde mécanique longitudinale ; fréquence, longueur d'onde et célérité ; réflexion du son, écho et réverbération ; effets du bruit sur la santé. Épreuve écrite en français, questions fermées.
📌 Trois idées suffisent pour l'essentiel : le son est une onde mécanique longitudinale, donc il a besoin d'un milieu matériel ; ses grandeurs se relient par la fréquence, la période et la longueur d'onde ; et l'intensité se mesure sur une échelle logarithmique, le décibel.
1. Production et propagation du son
Définition — Le son est une onde mécanique produite par la vibration d'un corps : corde, membrane, colonne d'air. Il se propage de proche en proche dans un milieu matériel — solide, liquide ou gaz — et ne se propage donc pas dans le vide.
Définition — Onde longitudinale : les particules du milieu vibrent dans la direction même de la propagation. Il se forme ainsi des zones de compression, où les particules sont serrées, et des zones de dilatation, où elles sont écartées. Une onde transporte de l'énergie, pas de matière.
Célérité du son dans quelques milieux
| Milieu | Célérité |
|---|---|
| Air à 20 degrés Celsius | Environ 340 m/s |
| Eau | Environ 1 500 m/s |
| Acier | Environ 5 000 m/s |
💡 Ordre croissant de vitesse : gaz, puis liquide, puis solide. Le son est donc plus rapide dans les solides que dans l'air : c'est pourquoi on entend un train arriver en collant l'oreille au rail bien avant de l'entendre dans l'air.
🎯 Le son ne se propage pas dans le vide parce que :
Bonne réponse : B. Sans particules à faire vibrer, aucune onde mécanique ne peut se propager ; la lumière, elle, est électromagnétique et traverse le vide.
2. Période, fréquence et longueur d'onde
Définition — La période est la durée d'une oscillation complète, en secondes. La fréquence est le nombre d'oscillations par seconde, en hertz : elle est l'inverse de la période. La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une période ; elle s'obtient en multipliant la célérité par la période, ou en divisant la célérité par la fréquence.
Exemple travailléUn diapason vibre à 440 hertz, la note La. Sa période vaut un divisé par 440, soit environ 2,27 millisecondes. Dans l'air, la longueur d'onde vaut 340 divisé par 440, soit environ 0,77 mètre.
🔍 Autre calcul type : un son de 1 000 hertz dans l'air a une longueur d'onde de 340 divisé par 1 000, soit 0,34 mètre.
Les trois domaines de fréquences
| Domaine | Fréquences | Remarque |
|---|---|---|
| Infrasons | Moins de 20 hertz | Non audibles : séismes, vagues, éléphants |
| Sons audibles | De 20 hertz à 20 000 hertz | L'oreille est la plus sensible entre 1 000 et 4 000 hertz |
| Ultrasons | Plus de 20 000 hertz | Non audibles : échographie, sonar |
⚠️ Ne pas confondre fréquence et intensité : une fréquence élevée donne un son aigu, pas un son fort. Élever la fréquence change la hauteur ; élever l'amplitude change la force du son.
🎯 L'unité de la fréquence est :
Bonne réponse : B. La fréquence se mesure en hertz : c'est le nombre d'oscillations par seconde. Le décibel mesure le niveau sonore, le watt une puissance.
3. Hauteur, intensité et timbre
Les trois caractéristiques d'un son
| Caractéristique | Grandeur physique | Ce qu'on entend |
|---|---|---|
| Hauteur | La fréquence | Son aigu si la fréquence est grande, grave si elle est petite |
| Intensité | L'amplitude | Son fort ou faible, mesuré en décibels |
| Timbre | La forme du signal et ses harmoniques | Distingue deux instruments jouant la même note |
Définition — Un son musical se décompose en une fréquence fondamentale et en harmoniques, de fréquences multiples de la fondamentale, dont les amplitudes diffèrent d'un instrument à l'autre. C'est cette répartition qui constitue le timbre. Un son qui ne contient qu'une seule fréquence est un son pur, comme celui du diapason.
- Deux signaux de même fréquence et de même amplitude, mais de formes différentes, sont perçus comme deux sons différents : c'est le timbre qui change.
- Une voix d'homme est en moyenne plus grave (environ 100 à 150 hertz) qu'une voix de femme (environ 200 à 250 hertz).
🎯 Deux instruments jouent la même note à la même intensité. Ce qui permet de les distinguer est :
Bonne réponse : B. Hauteur et intensité sont ici identiques : seule la composition en harmoniques, donc le timbre, diffère.
4. Le niveau sonore et les décibels
Définition — L'intensité sonore est la puissance transportée par l'onde par unité de surface ; elle s'exprime en watts par mètre carré. Le seuil d'audibilité vaut un millionième de millionième de watt par mètre carré. Comme les intensités audibles varient sur une très grande échelle, on utilise le niveau sonore, exprimé en décibels : le niveau est égal à dix fois le logarithme décimal du rapport entre l'intensité et l'intensité de référence.
Échelle des niveaux sonores
| Situation | Niveau |
|---|---|
| Seuil d'audibilité | 0 décibel |
| Chuchotement, calme nocturne | 30 décibels |
| Conversation normale | 60 décibels |
| Circulation dense en ville | 80 décibels |
| Marteau-piqueur, moto | 100 décibels |
| Concert, discothèque | 110 décibels |
| Seuil de douleur | 120 à 130 décibels |
Exemple travailléUn son d'intensité dix puissance moins huit watts par mètre carré correspond à un rapport de dix mille avec le seuil, donc à un niveau de dix fois quatre, soit 40 décibels. Une intensité de dix puissance moins quatre donne un rapport de cent millions, soit 80 décibels. Chaque multiplication de l'intensité par dix ajoute dix décibels.
🔍 Erreur classique : les décibels ne s'additionnent pas. Deux sources identiques de 60 décibels donnent environ 63 décibels, et non 120 décibels, car doubler l'intensité n'ajoute que trois décibels.
🎯 Le niveau sonore se mesure en :
Bonne réponse : B. Le décibel traduit une échelle logarithmique de perception ; le hertz mesure la fréquence et le watt une puissance.
5. Réflexion du son : écho et réverbération
Définition — L'écho est le son réfléchi par un obstacle, perçu une seconde fois après le son direct. Pour être distingué nettement, il faut un décalage d'au moins un dixième de seconde. La réverbération est la persistance du son dans une salle, due aux réflexions multiples sur les parois.
À retenir — Distance d'un obstacle par écho : on multiplie la célérité du son par la durée de l'aller-retour, puis on divise par deux, car le son parcourt deux fois la distance.
Exemple travailléSi un écho revient après 0,4 seconde, l'obstacle est à 340 multiplié par 0,4 puis divisé par 2, soit 68 mètres. Si l'écho revient après une seconde, la paroi est à 170 mètres.
🔍 Une salle aux murs durs et lisses réverbère beaucoup ; tapis, rideaux et matériaux absorbants réduisent la réverbération. C'est tout l'enjeu de l'acoustique des salles de classe et des studios.
🎯 Pour entendre un écho distinctement, il faut un délai d'au moins :
Bonne réponse : B. En dessous d'un dixième de seconde, le son réfléchi se confond avec le son direct : on parle alors de réverbération.
6. Ultrasons, infrasons et applications
Applications des ultrasons
| Application | Principe |
|---|---|
| Échographie médicale | Une sonde émet des ultrasons ; les échos des organes sont convertis en image |
| Sonar | Un son émis sous l'eau revient après réflexion : le délai donne la profondeur |
| Contrôle non destructif | Détecter des fissures dans une pièce métallique sans la casser |
| Nettoyage à ultrasons | Les vibrations décollent les saletés des bijoux ou des lunettes |
Définition — Les infrasons, de fréquence inférieure à 20 hertz, ne sont pas audibles par l'homme : ils accompagnent les séismes, les vagues, le vent, et servent à certaines espèces animales pour communiquer sur de longues distances.
🎯 L'échographie médicale utilise :
Bonne réponse : B. Les ultrasons, de fréquence supérieure à 20 000 hertz, pénètrent les tissus sans danger et leurs échos permettent de reconstruire une image.
7. Bruit, santé et protection
- Au-delà de 80 décibels pendant une longue durée, l'audition peut s'altérer ; une exposition courte à 110 décibels suffit à causer des dommages. Les premiers signes sont la fatigue auditive et les sifflements persistants.
- Le bruit permanent fatigue, perturbe le sommeil et diminue la concentration, en particulier en classe et dans les bureaux.
- Protection à trois niveaux : à la source (moteurs entretenus, limitation de vitesse), sur le trajet (murs anti-bruit, plantations, matériaux absorbants), sur la personne (bouchons d'oreilles, casques, réduction de la durée d'exposition).
Situations marocaines et notions correspondantes
| Situation | Notion | Explication |
|---|---|---|
| Appel porté par un haut-parleur de minaret | Propagation et portée du son | Un son fort se propage loin ; l'orientation du haut-parleur couvre tout le quartier |
| Écho dans une vallée de l'Atlas ou sous une falaise | Réflexion et calcul de distance | Le délai de retour permet de calculer la distance à la paroi |
| Bruit d'une médina ou d'un souk | Niveau sonore en décibels | Foule, mobylettes et marteaux des artisans dépassent souvent 80 décibels |
| Salles de fêtes, hammams et lieux à coupole | Réverbération | Les surfaces dures prolongent le son ; tapis et rideaux l'absorbent |
| Échographie dans un hôpital | Ultrasons | Fréquence supérieure à 20 000 hertz pour l'imagerie médicale |
8. Méthode et points de contrôle
- Repérer la notion demandée : propagation, grandeur (fréquence, période, longueur d'onde), caractéristique (hauteur, intensité, timbre), réflexion ou nuisance.
- Écrire la relation avant de remplacer : fréquence égale un sur période ; longueur d'onde égale célérité divisée par fréquence ; distance égale célérité fois durée divisée par deux.
- Vérifier les unités : hertz pour la fréquence, mètres par seconde pour la célérité, mètres pour la longueur d'onde, décibels pour le niveau.
- Illustrer par un exemple concret : écho d'une falaise, échographie, protection des oreilles dans un atelier.
- Réponds à toutes les questions : une case vide ne rapporte rien, une erreur ne retire rien.
Points de contrôle
- Je sais calculer une période, une longueur d'onde et la distance d'un obstacle par écho.
- Je sais expliquer la différence entre hauteur, intensité et timbre.
- Je sais expliquer pourquoi les décibels ne s'additionnent pas simplement.
9. Glossaire bilingue
Termes d'acoustique
| Terme | Définition |
|---|---|
| Onde mécanique | Onde qui a besoin d'un milieu matériel |
| Onde longitudinale | Les particules vibrent dans la direction de propagation |
| Célérité | Vitesse de propagation de l'onde |
| Période | Durée d'une oscillation complète |
| Fréquence | Nombre d'oscillations par seconde, en hertz |
| Longueur d'onde | Distance parcourue pendant une période |
| Amplitude | Écart maximal par rapport à la position de repos |
| Hauteur | Caractéristique liée à la fréquence : aigu ou grave |
| Timbre | Caractéristique liée aux harmoniques |
| Harmonique | Composante de fréquence multiple de la fondamentale |
| Niveau sonore | Grandeur logarithmique exprimée en décibels |
| Écho | Son réfléchi perçu séparément du son direct |
| Réverbération | Persistance du son par réflexions multiples |
| Infrasons | Fréquences inférieures à 20 hertz |
| Ultrasons | Fréquences supérieures à 20 000 hertz |
10. S'entraîner : quatre questions type concours
🎯 Un son a une fréquence de 262 hertz. Sa période vaut environ :
Bonne réponse : B. La période est l'inverse de la fréquence : 1 ÷ 262 ≈ 0,0038 seconde, soit 3,8 millisecondes.
🎯 Un écho revient au bout de 2 secondes. L'obstacle se trouve à :
Bonne réponse : B. On divise par deux car le son fait l'aller et le retour : 340 × 2 ÷ 2 = 340 mètres.
🎯 Un son d'intensité dix puissance moins quatre watts par mètre carré a un niveau de :
Bonne réponse : C. Le rapport avec le seuil vaut cent millions, dont le logarithme vaut huit : le niveau est de dix fois huit, soit 80 décibels.
🎯 Deux instruments jouent la même note : on les distingue grâce à :
Bonne réponse : B. La même note signifie la même hauteur : ce qui change, c'est la répartition des harmoniques, donc le timbre.
11. À retenir (fiche finale)
À retenir — Le son est une onde mécanique longitudinale : il ne se propage pas dans le vide ; célérités usuelles : 340 m/s dans l'air, 1 500 m/s dans l'eau, 5 000 m/s dans l'acier.
À retenir — Grandeurs : la fréquence est l'inverse de la période ; la longueur d'onde est la célérité divisée par la fréquence. Domaine audible : de 20 hertz à 20 000 hertz.
À retenir — Hauteur = fréquence ; intensité = amplitude ; timbre = harmoniques.
À retenir — Niveau sonore en décibels, sur une échelle logarithmique : 0 décibel au seuil d'audibilité, 60 en conversation, 80 dans un trafic dense, 120 au seuil de douleur. Les décibels ne s'additionnent pas.
À retenir — Écho : distance égale célérité fois durée divisée par deux ; il faut au moins un dixième de seconde. Réverbération : surfaces dures, réduite par les matériaux absorbants.
À retenir — Ultrasons (plus de 20 000 hertz) : échographie, sonar, contrôle non destructif. Bruit : fatigue, troubles du sommeil, perte d'audition ; protection à la source, sur le trajet, sur la personne.