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Physique - Ondes

 

Débutants

Général

SONS

 

Glossaire

Général

 

 

INDEX

 

Ondes

 

PHYSIQUE

 

Acoustique

Décibels

Musique

 

Sommaire de cette page

>>> Son

>>> Vitesse

>>> Voix

>>> Sonar

>>> Historique

 

 

 

 

 

SON & ACOUSTIQUE

  

Vibrations sonores: ondes audibles. Leurs fréquences sont relativement basses par rapport à celles des ondes radio ou électromagnétiques: de 0 à 20 kHz.

Voir Échelle des fréquences / Fréquences de la voix

 

 

Devinette

Le clocher du village sonne les six coups de 6 heures en 6 secondes. En combien de temps sonnera-t-il les 12 coups de midi ?

Solution

 

 

SON

Vibration

*   Les sons que nous entendons sont simplement des mouvements, des vibrations de l'air.

Onde sonore

*   Variation de la pression de l'air:

*      Compression et relâchement exercés sur les molécules de l'air.

*      Propagation de proche en proche comme les spires d'un ressort.

*   Sans air, comme dans l'espace, les sons ne se propagent pas. Dans l'espace règne le silence.

Vitesse

*   Variable selon le support de transmission >>>

Intensité

*   Le niveau sonore ou intensité est exprimé en décibels - dB

*   Il s'agit d'une échelle logarithmique.

*      Car, en particulier, l'audition par l'oreille n'est pas un phénomène linéaire.

*      Un doublement d'intensité correspond à ajouter 3 dB.

Exemples en dB

*    Niveau minimum pour l'oreille 

*    Feulement des feuilles d'un arbre

*    Conversation intime

*    Conversation à voix haute

*    Niveau moyen dans la rue

*    Tonnerre, outils (perceuse)

*    Avion à réaction

*    Bombe atomique

0

10

30 à 40

60

70

100

110 à 140

210

Voir Décibels

Hauteur

*   Fréquence du son ou nombre de cycles par secondes. Exprimée en Hertz - Hz

Timbre

*   Son composé

*      d'une fréquence de base et

*      de ses harmoniques – fréquences multiples.

Écho

*   Son réfléchi sur une surface

*      Effet miroir.

*      L'oreille ne peut percevoir l'écho que s'il revient 1/10 s après son émission.

Ce qui correspond à une surface placée à 17 m.

Réverbération

*   Son réfléchi par de multiples aspérités.

Suite en  Ondes sonores (analyse)

 

 

 

VITESSE DU SON

Vitesse

*     Air:       330 m / s soit 1 million de fois moins vite que la lumière.

*    Air à   20°C : 343

*    Air à 100°C : 386

*    Plus la température monte, plus la célérité est grande.

*    En gros: 1 km en 3 secondes (pratique pour estimer la distance à laquelle se trouve un orage).

*   Eau:   1 500 m / s

*    Fonction de la pression dans l'eau et de sa salinité.

*   Acier: 6 000 m / s

*    Pour se souvenir de la tendance: plus le milieu est rigide, plus les ondes sonores vont vite.

 

Comparaison

             Lumière                  300 000 km/s    7,5 tours de l'équateur en 1 seconde.

             Sons dans l'eau    1,5                    7,5 heures pour un tour de l'équateur.

             Sons dans l'air    0,3                    1, 5 jour pour un tour de l'équateur.

 

*    En 1708, William Derham mesure la vitesse du son:

*    il observe le tir d'un canon situé à 19 km à partir d'un clocher,

*    il mesure l'écart de temps entre l'éclair et la détonation du tir d'un canon.

*    En 1816, Pierre Simon de Laplace (1749-1827) mesure la vitesse du son à  345,9 m/s. Il prédit et vérifie que les conditions particulières de pression et de température de l'air devraient modifier l'élasticité du milieu et modifier la vitesse de propagation du son.

*    En comptant le nombre de secondes entre l'éclair et le tonnerre, on peut estimer la distance à l'orage en kilomètres en divisant ce nombre par 3.

*    L'éclair atteint vos yeux instantanément (à 300 000 000 m/s !)

*    Le son du tonnerre parcourt 1 km toutes les 3 secondes

*    Si je compte 12 secondes, l'orage se trouve à 12/3 = 4 km

*    La célérité des sons dans l'eau est fonction de la température, la pression, la salinité...

*    De sorte que, dans l'eau, les sons épousent des trajectoires sinusoïdales. Le sonar doit s'en accommoder! Les sous-marins en profiter pour se cacher dans des zones non atteintes par les sons.

 

 

Première mesure de la vitesse du son dans l'eau

 

*    En 1490, Léonard de Vinci (encore lui) a dit que: sur un bateau à l'arrêt, en plongeant une tube dans l'eau et votre oreille à l'autre bout, vous entendrez les bateaux lointains.

*    En 1687, Isaac Newton s'intéresse au traitement mathématique du son.

*    En 1826, Daniel Colladon (scientifique suisse) et Charles Sturm (mathématicien français) mesure la vitesse du son dans l'eau du lac de Genève (lac Léman): 1 435 m / s. L'illustration montre l'expérience.

 

 

*    Cette expérience repose sur trois points:

*       La propagation de la lumière est quasiment instantanée en comparaison à celle du son (300 000 km/s  et 1,5 km/s).

*       Un dispositif ingénieux doit déclencher l'émission de la lumière et la production du son au même instant. On imagine ce dispositif sur l'illustration: le marteau frappe la cloche au moment où la mèche enflammée embrase la poudre.

*       La personne à l'autre bout déclenche le chronomètre à la vue de la flamme et l'arrête dès réception du son dans le tube. Pour une mesure de 1 435 m/s sur 17 km, il a dû lire: 17 / 1,435 = 11,9 secondes.
 

Voir Mesures GPS

 

 

 

Principe de la propagation sous l'eau

 

*    La pression augmente avec la profondeur.

*    Ici, on simplifie en modélisant par tranches pour des pressions différentes. Chaque tranche constitue un milieu d'indice différent. Au passage d'une tranche à la suivante (dioptre), il y a phénomène de réfraction sur les dioptres selon la loi de Snell-Descartes: n sin i = n' sin i'

propag

 

Voici l'allure de la propagation des rayons sonores dans l'eau:

Surface =>

 

Source sonore =>

 

 

 

 

 

 

Vers le fond

 

http://www.resonancepub.com/images/channel.gif

 

 

Voir

*    Dioptres en couches

*    Nombre de Mach

*    Vitesse de la lumière

*    Vitesse de l'influx nerveux

*    Vitesse - Glossaire

 

 

 

VOIX

 

 Voix humaine

Pour référence: DO au centre du clavier du piano: 262 Hz

 

Attention Échelle logarithmique   Voir Ultrason (17 kHz) et jeunes

NB: Voix vient du latin VOX, d'où le x final.

Contralto est la plus grave des voix de femme, dite aussi alto.

 

 

 

SONAR

Nom

*   Le nom "Sonar" vient de Sound Navigation and Ranging.

 

*   Pendant la Première Guerre mondiale, Paul Langevin et Constantin Chilowski mettent au point l'Asdic (Anti-Submarine Detection Investigation Committee), l'ancêtre du sonar.

Principe

*   Écouter les divers sons qui se propagent dans l'eau, avec des "écouteurs" placés sur:

*    des sous-marins;

*    des navires de guerre – bâtiments de surface;

*    des aéronefs:

*    avions qui larguent des bouées sonar,

*    hélicoptères qui plongent un sonar dans l'eau à l'aide d'un dispositif treuil-câble;

*    de lignes d'écoute fixes posées sur le fond de la mer;

*    etc.

Types

*   Actif

*    Le sonar émet des sons puissants et il écoute les échos réfléchis par la coque des sous-marins ou des navires (même principe que le radar).

*    Passif

*    Le sonar écoute les sons existants dans l'eau:

*    émis par les sonars des autres,

*    rayonnés par les moteurs des sous-marins ou des navires, ou

*    engendrés par les animaux marins.

Voir Deux types de télédétection

Le saviez-vous

*   L'échographe pour examiner le bébé-fœtus est un sonar à très haute fréquence.

Oreilles du sonar

*   Les écouteurs des sonars s'appellent des hydrophones.

*    Le sous-marin en compte des centaines, placés à l'avant et sur ses flancs.

*    Ils sont réalisés à partir de matériaux piézo-électriques céramiques ou plastiques qui produisent un courant électrique lorsqu'ils sont comprimés.

*    Ce matériau est pris en sandwich entre:

*    un pavillon assez large pour recueillir la pression des ondes sonores, et

*    une masse importante qui, par son inertie, s'oppose au mouvement imprimé par les ondes sonores.

*    Les céramiques sont alors soumises à une pression au rythme des ondes sonores faisant vibrer le pavillon et émettent un courant électrique modulé en conséquence.

 

Conception

*   La complexité  de  conception   d'un   SONAR
n'est pas de même nature que celle du RADAR.

*   Les sons ne se propagent pas en ligne droite dans l'océan. Il existe des zones d'ombre dans lesquelles les ondes ne vont pas ou n'en sortent pas.

*   Les sons se propagent lentement:

*    Plus de 6 secondes pour un écho à une distance de 10 km.

*    Nécessité d'écouter dans toutes les directions à la fois, un balayage rotatif comme pour le radar prendrait trop de temps.

*    La multiplicité des voies d'écoute (par exemple: 256 directions simultanées) induit la mise en place de grandes puissances de calcul pour réaliser un sonar.

*    L'onde incidente sur les antennes acoustiques est sphérique:

*    Il faut la redresser l'onde en fonction de la forme de l'antenne de réception: introduction de circuits de retardement du signal sur chaque voie. C'est la technique de la formation des voies.

*   Il est relativement facile de déterminer l'angle d'arrivée d'un son. Quoique cela demande des techniques élaborées. Surtout lorsqu'il s'agit de séparer, discriminer, deux échos en provenance de directions proches.

*   Par contre, il est très difficile d'obtenir la distance de la source d'un son:

*    Il faudrait pouvoir déterminer le centre de l'onde sphérique.

*    Il existe bien des télémètres acoustiques dont le principe est proche de celui d'un appareil photo:

*    Il faut alors disposer de plusieurs antennes (en général 3),

*    parfaitement alignées,

*    qui détectent l'arrivée de la même onde sphérique.

*    On mesure les instants d'arrivée de l'onde sur chaque antenne.

*    Un calcul géométrique permet de déterminer le centre de l'onde sphérique.

*    La qualité de la mesure de distance reste néanmoins très médiocre.

*    La méthode la plus courante consiste à prendre son temps (dizaines de minutes):

*    en utilisant plusieurs positions du sous-marin et

*    en procédant à des calculs de triangulation pour reconstituer les figures géométrique permettant de trouver le centre de la sphère sonore.

*    La difficulté technique majeure réside dans le fait de corriger (filtrer) les résultats bruts des mesures.

 

Voir Sonar actif basse fréquence / Analyse spectrale /  Sous-marins / Systèmes expert et sonars / Supercalculateurs / Démodulation

 

 

Propagation du son – HISTORIQUE

 

Otto von Guericke (1602-1686)

*       Expérience sur le son et sa propagation dans l'air et le vide.

*       Dans un pot "vidé" de son air, il entendait encore les sons.

 

Athanasius Kircher (1602-1680)

*       Expérience avec une cloche à vide; le son est toujours perçu.

 

 Robert Boyle (1627-1691)

*       Il améliore le vide avec une pompe plus performante et une meilleure étanchéité. Bilan: il observe que l'intensité du son diminue au fur et à mesure que l'air est pompé.

 

L'air est bien le milieu qui permet la transmission du son.

ou autre milieu, mais en tout cas pas le vide

 

Robert Hooke (1635-1703)

*       Il établit le lien entre la fréquence de vibration et le son émis.

 

Joseph Sauveur (1653-1716)

*       Il est le fondateur du mot acoustique.

*       Il étude la composition d'une onde composée de deux fréquences différentes et les phénomènes de battements qui en résultent

 

John Wallis (1616-1703)

*       Wallis étudie les ondes stationnaires.

*       Une corde tendue mise en vibration dessine des fuseaux dont

*      la partie renflée forme des ventres – amplitude de vibration maximale, et

*la partie fixe des nœuds de vibration – points qui restent immobiles. 

*       Selon la quantité de fuseaux:

*Un seul fuseau: le son est engendré par une fréquence pure; c'est une vibration sur le mode fondamental.

*Plusieurs fuseaux, c'est le mode harmonique; les fréquences sont multiples du fondamental.

 

Lord Rayleigh (1842-1919)

*       En 1877, il lance la théorie moderne de l'acoustique avec son ouvrage: la théorie de la résonance.
 

Voir Savants des années 1600

 

Devinette – Solution

Le clocher du village sonne les six coups de 6 heures en 6 secondes. En combien de temps sonnera-t-il les 12 coups de midi ?

Réponse : en 13,2 secondes.

 

Explication en tableau:

Et la durée du son (dong)? On peut imaginer que la mesure est prise toujours au même moment, par exemple au départ du "dong".

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Merci à Kristus

 

 

Voir

*    Eau

*    Matière

*    Musique

*    Notes de musique

*    Ondes (terminale)

*    Optique

*    Pression

*    Sons de la langue française

*       Ultrason et jeunes

Site

*    Pour poursuivre cette exploration sur un site didactique et attrayant, et de surcroît, réalisé par un expert, et ancien collègue:

 

NAREVA  - Le son et le sonar: les bases.

beaucoup d'autres sujets sont abordés sur ce site.

Livres

*    La matière - Bernard Tyburce -
      Complet tour d'horizon abordable (génial!)

*    1000 infos sur LES SCIENCES
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http://villemin.gerard.free.fr/Scienmod/Son.htm