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Chapitre 9
Les signaux sonores et leurs applications
Quatrième
Physique-Chimie
Les signaux sonores et leurs applications
CONTEXTE
Les sons, qu'ils soient audibles ou non, permettent de communiquer et de mesurer des distances
inaccessibles autrement. On met alors à pro t les phénomènes d'absorption, de transmission et
de ré exion qu'ils subissent lorsqu'ils rencontrent un obstacle.
I
Les signaux sonores
Le son
Un son correspond à la vibration d'un milieu matériel transmise de proche en proche.
DÉFINITION
EXEMPLE
Lorsqu'un haut-parleur émet un son, la vibration de la membrane est transmise aux couches d'air
et se transmet de proche en proche.
Émission d'un son par un haut-parleur
PROPRIÉTÉ
On distingue :
Les sons audibles, car perceptibles par l'oreille humaine
Les infrasons, trop graves pour l'oreille humaine
Les ultrasons, trop aigus pour l'oreille humaine
EXEMPLE
Les éléphants émettent des infrasons pour communiquer.
EXEMPLE
Les chauves-souris émettent des ultrasons pour se localiser.
II
La propagation et la perception d'un son
A Les conditions de propagation d'un son
PROPRIÉTÉ
Les sons ont besoin de matière pour se propager. Ils peuvent donc être émis dans tous les milieux,
sauf le vide. Ainsi, ils peuvent se propager dans les gaz (l'air par exemple), les liquides et les
solides.
EXEMPLE
L'espace étant dénué de matière, aucun son ne peut s'y propager.
B La vitesse du son
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La vitesse du son dépend de la nature du milieu qu'il traverse. En effet, étant donné que pour se
propager dans un milieu les sons mettent en vibration les particules qui le constituent, plus cellesci sont proches les unes des autres, plus la vitesse du son sera élevée.
PROPRIÉTÉ
Les sons se déplacent donc plus vite dans les solides que dans les liquides, et aussi plus vite dans
les liquides que dans les gaz.
EXEMPLE
Quelques vitesses du son :
Milieu
Air
Eau
Acier
Vitesse du son (en m/s)
340
1430
5200
C La perception du son
Pour qu'un son soit perçu, il faut qu'il se propage jusqu'au tympan et qu'il lui transmette sa
vibration. Le signal nerveux résultant est ensuite décodé par le cerveau.
Propagation d'un son
PROPRIÉTÉ
Les différences de perception entre les personnes proviennent de la sensibilité de l'oreille de
chaque personne. Ainsi, les limites entre sons audibles et inaudibles (infrasons et ultrasons) varient
légèrement selon les personnes et leur âge.
EXEMPLE
Les jeunes personnes perçoivent des sons plus aigus que les personnes âgées ne perçoivent
pas.
D Les phénomènes d'absorption, de transmission et de ré exion
PROPRIÉTÉ
Lorsqu'un son rencontre un obstacle, trois phénomènes peuvent se produire :
Le son peut être transmis : l'obstacle laisse alors passer le son à travers lui.
Le son peut être ré échi : le son rebondit, en quelque sorte, sur l'obstacle et revient vers sa
source.
Le son peut être absorbé : il est alors ni transmis ni ré échi, mais il se dissipe à l'intérieur de
l'obstacle.
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Transmission, ré exion et absorption d'un son
REMARQUE
En fait, lorsqu'un son rencontre un obstacle, ces trois phénomènes ont lieu, dans des
proportions qui dépendent de la nature de l'obstacle.
EXEMPLE
Lorsqu'un son rencontre un mur en briques, il est transmis à environ 20%, ré échi à
70% et absorbé à 10%.
III
Les applications
A La mesure de distance
Il est possible d'effectuer des mesures de distances avec des signaux sonores :
Une source sonore émet un son vers un corps qui va le ré échir, et un récepteur (généralement
proche de l'émetteur) détecte ensuite son écho. En connaissant la vitesse du son dans le milieu où il
s'est propagé et la durée de cet aller-retour, il devient possible de déterminer la distance séparant
l'obstacle et l'ensemble émetteur − récepteur sonore.
Principe de la mesure de distance par écho
Distance entre un ensemble émetteur-récepteur d'ondes et un obstacle ré échissant
La distance d entre l'ensemble émetteur-récepteur sonore et l'obstacle ré échissant vaut :
FORMULE
Avec :
c
×
Δt
d= 2
d la distance entre l'ensemble émetteur-récepteur d'ondes et l'obstacle ré échissant, en mètres
(m).
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c la vitesse de propagation de l'onde, en mètres par seconde (m.s−1).
Δt la durée séparant l'émission de l'onde et la réception de l'écho, en secondes (s).
EXEMPLE
Lors d'une échographie, on pose une sonde sur le ventre de la patiente. Celle-ci génère des
ultrasons qui se transmettent jusqu'au fœtus. Les tissus durs (comme les os) du fœtus vont alors
être ré échis et revenir vers la sonde qui mesure la durée de cet aller-retour.
Échographie
6,7 × 10
−5 s et qu'on
Si la durée mesurée entre le départ et le retour des ultrasons est de
considère que dans le corps de la patiente les ultrasons se propagent à la vitesse de
m/s, la
distance entre la sonde et le tissu qui l'a ré échie est :
1 500
c
×
Δt
d= 2
−5
1
500
×
6,7
×
10
d=
2
d = 0,050 m
Soit
d = 5,0 cm
B La communication
PROPRIÉTÉ
Les sons peuvent se propager dans tous les milieux, sauf dans le vide. Ils sont néanmoins assez
vite absorbés par la matière et ne peuvent donc pas traverser de grandes distances. Pour pallier cet
inconvénient et rendre les communications à longue distance possibles, ces ondes sonores
peuvent être codées sous forme de signaux électriques (au moins dans un premier temps), puis
transmises aisément sur de longues distances.
EXEMPLE
En parlant dans un micro, les vibrations de l'air font vibrer la membrane de ce micro, qui traduit
alors l'information sonore en signal électrique. Ce signal est ensuite codé en signal radio, ce qui
lui permet de traverser rapidement et facilement de grandes distances dans l'air, avant d'être
capté par des antennes radio. Une fois reçues, ces ondes radio sont décodées en signaux
électriques, qui seront eux-mêmes retranscrits en signaux sonores.
Chaîne de communication
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