Les ondes sonores | Terminale

Qu'est-ce qu'une onde sonore ?

Onde sonore

Onde mécanique longitudinale qui se propage par compression et dilatation du milieu. Elle nécessite un milieu matériel pour se propager (ne se propage pas dans le vide).

Caractéristiques d'une onde mécanique

Propriété	Description
Mécanique	Nécessite un milieu matériel
Longitudinale	Vibration parallèle à la direction de propagation
Progressive	Se déplace dans l'espace

Les grandeurs caractéristiques

La fréquence

Fréquence (f)

Nombre de vibrations (ou périodes) par seconde. Elle s'exprime en Hertz (Hz).

⚠️

Perception humaine :

Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz
Infrasons : f < 20 Hz
Ultrasons : f > 20 000 Hz

La période

Période (T)

Durée d'une vibration complète. Elle s'exprime en secondes (s).

T = 1/f et f = 1/T

T : période en secondes (s)
f : fréquence en Hertz (Hz)

EXEMPLE

Un son de fréquence f = 440 Hz (La3) : T = 1/440 ≈ 0,00227 s ≈ 2,27 ms

La longueur d'onde

Longueur d'onde (λ)

Distance parcourue par l'onde pendant une période. C'est aussi la distance entre deux points consécutifs en phase.

λ = v × T = v/f

λ : longueur d'onde en mètres (m)
v : vitesse de propagation en m/s
T : période en secondes (s)
f : fréquence en Hertz (Hz)

La célérité du son

Célérité

Vitesse de propagation de l'onde dans un milieu donné.

Milieu	Célérité approximative
Air (20°C)	340 m/s
Eau	1 500 m/s
Acier	5 000 m/s

⚠️

Le son se propage plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz.

EXEMPLE

Un son de 1000 Hz dans l'air : λ = v/f = 340/1000 = 0,34 m = 34 cm

Hauteur et timbre

La hauteur d'un son

Hauteur

Caractère grave ou aigu d'un son, lié à sa fréquence.

Fréquence	Perception
Basse fréquence	Son grave
Haute fréquence	Son aigu

EXEMPLE

Note La3 (diapason) : f = 440 Hz
Note La4 (octave supérieure) : f = 880 Hz
Passage à l'octave supérieure = fréquence × 2

Le timbre

Timbre

Qualité qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et de même intensité émis par des instruments différents.

Le timbre dépend :

Du spectre harmonique (harmoniques présentes)
De l'enveloppe temporelle (attaque, maintien, chute)

Niveau d'intensité sonore

L'intensité sonore

Intensité sonore (I)

Puissance sonore reçue par unité de surface. Elle s'exprime en W/m².

Le niveau sonore

Niveau sonore (L)

Grandeur qui caractérise l'intensité d'un son sur une échelle logarithmique. Elle s'exprime en décibels (dB).

L = 10 × log(I/I₀)

L : niveau sonore en décibels (dB)
I : intensité sonore en W/m²
I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d'audibilité)

Échelle des niveaux sonores

Niveau (dB)	Source	Perception
0	Seuil d'audibilité	Silence
30	Chuchotement	Calme
60	Conversation	Normal
80	Rue bruyante	Fort
100	Discothèque	Très fort
120	Avion au décollage	Douloureux
130	Seuil de douleur	Dangereux

⚠️

Danger pour l'audition :

Au-delà de 85 dB : risque de lésions après exposition prolongée
Au-delà de 120 dB : lésions immédiates possibles

Propriétés des décibels

⚠️

L'échelle des décibels est logarithmique :

+3 dB → intensité × 2
+10 dB → intensité × 10
Doubler la puissance sonore ajoute seulement 3 dB

EXEMPLE

Deux sources identiques de 60 dB chacune : Niveau total ≈ 63 dB (pas 120 dB !)

Analyse spectrale

Spectre d'un son

Représentation graphique montrant les différentes fréquences présentes dans un son et leur amplitude.

Son pur vs son complexe

Type	Spectre	Exemple
Son pur	Une seule fréquence	Diapason
Son complexe	Plusieurs fréquences (harmoniques)	Instruments de musique

Les harmoniques

Harmonique

Fréquence multiple de la fréquence fondamentale.

fₙ = n × f₁

f₁ : fréquence fondamentale
f₂ = 2f₁ : harmonique 2
f₃ = 3f₁ : harmonique 3
etc.

Effet Doppler

Modification de la fréquence perçue d'une onde lorsque la source et/ou le récepteur sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.

⚠️

Source qui s'approche → fréquence perçue plus élevée (son plus aigu)
Source qui s'éloigne → fréquence perçue plus basse (son plus grave)

EXEMPLE

La sirène d'une ambulance semble plus aiguë quand elle s'approche et plus grave quand elle s'éloigne.

Applications de l'effet Doppler

Radar de vitesse
Échographie (effet Doppler sanguin)
Astronomie (décalage vers le rouge)

Exercices

Un son a une fréquence de 500 Hz. Calcule sa période et sa longueur d'onde dans l'air (v = 340 m/s).
Le niveau sonore passe de 60 dB à 70 dB. Par combien l'intensité a-t-elle été multipliée ?
Deux violons jouent la même note. Pourquoi ne produisent-ils pas exactement le même son ?
Une sirène s'approche puis s'éloigne. Décris ce qu'on entend et explique.
Une flûte joue un La3 (440 Hz). Quelles sont les fréquences des harmoniques 2 et 3 ?

Points clés à retenir

Onde sonore : mécanique, longitudinale, ne se propage pas dans le vide
f = 1/T, λ = v/f
Vitesse du son dans l'air : ≈ 340 m/s
Audible : 20 Hz - 20 000 Hz
Hauteur → fréquence / Timbre → harmoniques
Niveau sonore L = 10 log(I/I₀) en dB
+10 dB = intensité × 10
Effet Doppler : approche → aigu, éloignement → grave