Le son (1)
1 Emission sonore et phénomènes périodiques
1.1 Les émetteurs sonores
A - L'émission de vibrations
- L'essentiel: Un émetteur sonore est animé d'un mouvement vibratoire
- Les expériences à faire pour le comprendre :
- Donner des coups dans un diapason au dessus duquel on a placé un petit pendule,
celui ci se met alors à bouger.
- Placer des cristaux de sel sur un haut parleur en marche: ils se mettent en mouvement.
- Fixer une lame de scie dans un étau et la faire vibrer.
B - La sensation sonore.
Comment entendons nous les sons? Les vibrations des émetteurs se propagent dans l'air, certaines
arrivent à nos tympans et les font vibrer. C'est ensuite notre cerveau qui traduit ces vibrations
en sons.
Cependant nous n'entendons pas tout les sons. Donc toutes les vibrations ne provoquent pas une sensation sonore.
1.2 Les phénomènes périodiques
A - Définition et explication
- Un phénomène périodique est un phénomène qui se répète à intervalles réguliers
(exemple: le mouvement d'une aiguille de montre)
- Un phénomène périodique est alors caractérisé par sa Période (T) et sa fréquence (ƒ)
- La période s'exprime en secondes tandis que la fréquence s'exprime en Hertz
- Qu'est ce que la fréquence d'un phénomène? C'est le nombre de périodes de ce phénomène pendant 1 seconde
- Période et fréquence sont liées par la formule ƒ = 1 / T
- Comment observer un phénomène périodique? Il existe 3 possibilités: la stroboscopie,
l'oscilloscope et l'enregistrement graphique
B - Mouvement circulaire uniforme
Exemple concret: Imaginons un CD noir avec dessus une pastille de couleur, lorsque le CD est
en mode lecture dans un appareil le mouvement de la pastille est circulaire et uniforme.La période
est alors la durée d'un tour.
NB: la vitesse de rotation d'un disque s'exprime en tours par seconde ou par minute (tr.s-1 ou tr.min-1)
1.3 La stroboscopie d'un mouvement périodique
- Un stroboscope est une source de lumière qui émet des éclairs à des intervalles de temps
Te réguliers, et à la fréquence ƒe
- La persistance rétinienne: L'œil n'est capable de sépare deux images successives que si
l'intervalle de temps qui les sépare est supérieur à 0.1s (donc si la fréquence du phénomène
observé est inférieure à 10 Hz)
- Donc l'utilisation du stroboscope n'a d'intérêt que si on utilise des fréquences supérieures à 10Hz.
Conseils pour l'observation stroboscopique
Elle s'avère nécessaire lorsque la période du phénomène observé est inférieure à 0.1s (notre persistance rétinienne)
On la réalise le plus souvent dans l'obscurité.
1.4 La stroboscopie d'un mouvement circulaire uniforme
Notations : La période du phénomène observé est notée T, celle du stroboscope Te
- La plus grande fréquence ƒe des éclairs permettant d'observer l'immobilité apparente est égale à
la fréquence du mouvement périodique étudié.
- Expérimentalement, on fait tourner un disque avec une pastille verte dessus le tout éclairé par
un stroboscope dont on diminue la fréquence depuis une valeur élevée. Lorsque l'on voit la pastille
toujours à la même place, c'est que la fréquence des éclairs est identique à la fréquence du phénomène
observé ƒe = ƒ
- Si on observe :
- une immobilité apparente alors Te = k x T, avec k un entier naturel
- Un mouvement apparemment ralenti :
- dans le sens du mouvement réel alors Te est très légèrement supérieure à T (ou kT )
- dans le sens contraire du mouvement réel, alors Te est très légèrement inférieure à T ( ou kT)
Conseils pour les exercices
- Toujours se demander si le mouvement est bien circulaire uniforme
- Réaliser des dessins du phénomène en indiquant toujours le sens du mouvement réel
- Toujours veiller à convertir les périodes en secondes
1.5 Qu'est ce qu'une chaîne sonore ?
C'est un ensemble comprenant :
- Un émetteur sonore (cordes vocales…) dont la vibration est communiquée au milieu
- Un milieu de propagation (air…)
- Un récepteur (l'oreille…)
2 Le haut-parleur
2.1 Etude du haut-parleur
Propriétés
- Un haut-parleur n'émet un son que si il est alimenté en courant alternatif
- Il convertit cette tension en une vibration de sa membrane.
La fréquence des vibrations
- La fréquence de ces vibrations ƒv est égale à la fréquence ƒ du courant qui l'alimente.
- Plus la fréquence des vibrations de la membrane est grande, plus le son est aigu
- Plus la fréquence des vibrations de la membrane est petite, plus le son est grave
L'amplitude des vibrations
- Pour une fréquence constante, plus l'amplitude des vibrations est grande, plus le son est intense.
- L'intensité d'un son s'exprime en décibels
Courbe de réponse
La courbe de réponse d'un haut-parleur indique son comportement en fonction de la fréquence.
Comment l'obtenir ? Envoyez au haut-parleur une tension alternative, d'amplitude fixe, de
fréquence variable. Simultanément, on mesure l'intensité sonore avec un sonomètre, on trace
ensuite la courbe de réponse.
Bande passante
La bande passante est un intervalle de fréquence pour lequel le haut parleur restitue les sons
avec une intensité convenable.
En pratique, c'est l'intervalle dans lequel la courbe de réponse atteint un plateau.
2.2 Comment fonctionne un haut parleur ?
- La partie fondamentale du haut parleur est constituée d'une bobine dans l'entrefer d'un aimant
- Le mouvement de la bobine se transmet à la membrane.
Comment montrer expérimentalement les propriétés de l'interaction aimant-conducteur ?
- Tout conducteur électrique non-ferreux parcouru par un courant électrique et placé à proximité
d'un aimant est soumis à une force électromagnétique.
- Conséquence : la bobine du haut-parleur, parcourue par un courant électrique et proche d'un
aimant, subit un déplacement.
- Le courant étant alternatif le mouvement de la bobine varie, la membrane vibre donc
- La valeur F de la force électromagnétique est proportionnelle à l'intensité du courant F = k x I avec
I en Ampères, k en Newton par ampère, F en Newton (N)
- Le sens de la force électromagnétique change avec le sens du courant
