Seconde · Physique-chimie

Émission et perception d’un son

Chapitre 14

15 questions originales à réponses multiples pour vérifier les notions, les méthodes et les points de vigilance du chapitre.

Ces 15 questions sur Émission et perception d’un son alternent observations, calculs et décisions expérimentales. Plusieurs propositions peuvent être exactes. Prévois du papier et un stylo.

Comment répondre ?

Prévois une feuille et un stylo pour poser tes calculs et rédiger tes étapes. Chaque QCM propose cinq affirmations. Une ou plusieurs réponses peuvent être exactes. Coche-les, vérifie, puis ouvre la correction pour comprendre chaque proposition. Tu obtiens un point seulement si tu coches toutes les bonnes réponses, sans cocher de réponse fausse.

0 question vérifiée sur 15

Question 1

La corde et la caisse de guitare

Une corde pincée vibre et la caisse de guitare contribue au son perçu dans la pièce. Quelles étapes décrivent correctement l’émission ?

Le son apparaît seulement lorsque la corde s’immobilise. La caisse peut rendre le son mieux perceptible en mettant davantage d’air en vibration. La vibration de la corde est à l’origine du signal sonore. L’air joue ici le rôle de milieu matériel de propagation. La caisse transporte directement l’air de la guitare jusqu’à l’oreille.

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Réponse attendue : B, C, D

A — Faux. Non. Le signal est associé aux vibrations en cours ; lorsque les vibrations cessent, l’émission s’éteint progressivement.
B — Vrai. Oui. Elle participe à la mise en mouvement de l’air environnant et renforce le rayonnement sonore dans ce contexte.
C — Vrai. Oui. Une source sonore met le milieu voisin en vibration ; ici la corde vibre après le pincement.
D — Vrai. Oui. La vibration se transmet dans l’air de proche en proche entre l’instrument et l’oreille. Une vibration mécanique ne pourrait pas atteindre l’oreille à travers un vide idéal.
E — Faux. Non. Le signal se propage par vibration locale du milieu, sans déplacement global d’une poche d’air de la guitare à l’auditeur.

Méthode à retenir. Identifier successivement la source qui vibre, le milieu qui transmet et le récepteur qui perçoit.

Question 2

Un réveil sous une cloche

Une sonnerie fonctionne sous une cloche à vide. Quand on retire progressivement l’air, on la voit encore vibrer mais on l’entend beaucoup moins. Que montre l’expérience ?

La sonnerie cesse nécessairement de vibrer dès que l’air est raréfié. Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager. Le vide transmet le son mieux que l’air. Il faut distinguer émission du son et propagation jusqu’à l’oreille. La source peut vibrer même si le son ne se propage presque plus jusqu’à nous.

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Réponse attendue : B, D, E

A — Faux. Non. L’observation précise qu’elle vibre encore ; c’est surtout la transmission du son vers l’extérieur qui diminue.
B — Vrai. Oui. Contrairement à la lumière, un signal sonore mécanique ne traverse pas le vide idéal. Ce milieu peut être l’air, un liquide ou un solide, avec des célérités différentes.
C — Faux. Non. L’absence de matière empêche la propagation d’une vibration sonore mécanique. La cloche raréfiée fournit précisément l’indice expérimental : la source vibre toujours mais le signal reçu baisse.
D — Vrai. Oui. Une source active ne garantit pas que le signal puisse atteindre un récepteur éloigné. L’observation de la sonnerie ne suffit pas à conclure que l’onde traverse l’espace autour d’elle.
E — Vrai. Oui. Le mouvement visible continue, mais la diminution d’air réduit fortement le milieu matériel nécessaire à la propagation du signal sonore.

Méthode à retenir. Séparer la vibration de la source et le trajet du signal dans un milieu matériel.

Question 3

Un signal en retard

Une personne voit un geste et entend le son 0,50 s plus tard ; on néglige le temps de parcours de la lumière. On prend v_son = 340 m·s⁻¹ dans l’air. À quelle distance se trouve la source ?

La distance estimée vaut 170 m. Le retard doit être exprimé en mètres avant le calcul. La distance est 680 m parce que le son a effectué un aller-retour. La lumière arrive ici beaucoup plus vite que le son. La valeur de 340 m·s⁻¹ concerne ici la propagation dans l’air.

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Réponse attendue : A, D, E

A — Vrai. Oui. d = v Δt = 340 m·s⁻¹ × 0,50 s = 170 m ; les secondes se simplifient.
B — Faux. Non. Le retard est une durée en secondes ; on la multiplie par une célérité en m·s⁻¹ pour obtenir des mètres.
C — Faux. Non. Ici le signal va une fois de la source à l’auditeur ; un aller-retour serait pertinent pour un écho.
D — Vrai. Oui. Son temps de parcours est négligé à cette distance devant les 0,50 s du son, conformément à l’hypothèse.
E — Vrai. Oui. La célérité dépend du milieu et des conditions ; l’énoncé choisit la valeur pour l’air. Employer cette valeur pour l’eau ou un solide sans donnée supplémentaire serait injustifié.

Méthode à retenir. Pour un trajet simple, écrire d = v Δt avec v en m·s⁻¹ et Δt en s.

Question 4

Écho au fond d’une vallée

Un son émis vers une paroi revient sous forme d’écho après 2,0 s. On donne v_son = 340 m·s⁻¹ et on suppose un trajet aller-retour. Quelles distances sont correctes ?

Le son parcourt 680 m au total. La paroi est à environ 340 m de la source. La paroi est à 680 m puisque le son ne revient qu’une fois. La vitesse du son vaut 2,0 m·s⁻¹ parce que le retard est 2,0 s. Il faut distinguer temps de parcours total et temps d’aller seul.

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Réponse attendue : A, B, E

A — Vrai. Oui. Distance totale = v Δt = 340 m·s⁻¹ × 2,0 s = 680 m.
B — Vrai. Oui. L’aller-retour comprend deux trajets égaux : d_paroi = 680 m / 2 = 340 m. Prendre les deux secondes pour l’aller seul doublerait à tort la distance à la paroi.
C — Faux. Non. Le signal atteint la paroi puis revient ; 680 m est le chemin cumulé, pas la distance à la paroi.
D — Faux. Non. 2,0 s est une durée, non une vitesse ; la célérité est donnée à 340 m·s⁻¹.
E — Vrai. Oui. Les 2,0 s couvrent l’aller et le retour ; l’aller dure 1,0 s dans ce modèle symétrique.

Méthode à retenir. Écho : calculer d_total = v Δt, puis diviser par deux pour trouver la distance de la paroi.

Question 5

Une période sur l’oscilloscope

La figure montre un signal périodique d’un microphone. Un même état du signal réapparaît à t = 0 ms, 4 ms et 8 ms. Quelles lectures sont correctes ?

Signal périodique sur deux motifs identiques, de t = 0 à 8 ms ; un motif s'étend de 0 à 4 ms. — Enregistrement temporel schématique ; graduations en millisecondes.

La fréquence correspondante vaut f = 250 Hz. La période vaut T = 4 ms. En secondes, T vaut 4,0 × 10⁻³ s. La période vaut 8 ms parce que la figure affiche deux motifs. La fréquence vaut 4 Hz puisque la période vaut 4 ms.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. f = 1/T = 1/(4,0 × 10⁻³ s) = 250 s⁻¹ = 250 Hz.
B — Vrai. Oui. Deux maxima successifs, ou deux passages montants identiques, sont séparés de 4 ms ; c’est la plus petite durée de répétition visible.
C — Vrai. Oui. 1 ms = 10⁻³ s ; 4 ms = 4,0 × 10⁻³ s. La conversion précède l’emploi de f = 1/T pour obtenir une fréquence en hertz.
D — Faux. Non. Huit millisecondes couvrent deux périodes ; il faut choisir la plus petite durée au bout de laquelle le motif se répète.
E — Faux. Non. Il faut convertir les millisecondes en secondes avant l’inversion : 4 ms donnent 250 Hz. Le milliseconde est mille fois plus court que la seconde ; cette erreur change fortement le résultat.

Méthode à retenir. Repérer deux points dans le même état de vibration, convertir la période en secondes, puis calculer f = 1/T.

Question 6

Mesurer sur plusieurs périodes

Sur un enregistrement, dix périodes complètes occupent 25 ms. On suppose le signal périodique stable. Quelle méthode améliore l’estimation de T ?

La période estimée vaut 2,5 ms. La période vaut 25 ms parce que c’est la largeur totale relevée. Mesurer plusieurs motifs peut réduire l’effet relatif d’une erreur de lecture des bords. La fréquence s’exprime en secondes. La fréquence estimée vaut 400 Hz.

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Réponse attendue : A, C, E

A — Vrai. Oui. Diviser la durée de dix motifs par dix : T = 25 ms / 10 = 2,5 ms.
B — Faux. Non. La largeur de 25 ms regroupe dix répétitions ; la plus petite durée de répétition est dix fois plus courte.
C — Vrai. Oui. Une même petite erreur de lecture, répartie sur dix périodes, perturbe moins l’estimation de chaque période.
D — Faux. Non. La seconde est l’unité de période ; la fréquence s’exprime en hertz, équivalent à s⁻¹.
E — Vrai. Oui. T = 2,5 × 10⁻³ s, donc f = 1/T = 400 s⁻¹ = 400 Hz.

Méthode à retenir. Compter les motifs avant de calculer T = durée totale/nombre de périodes, puis f = 1/T.

Question 7

Deux notes de musique

Deux diapasons produisent des sons de fréquences 440 Hz et 880 Hz. On compare leur hauteur, sans information sur leur intensité. Que peut-on dire ?

La période du son à 880 Hz est deux fois plus courte. Le son à 880 Hz est plus aigu que celui à 440 Hz. La deuxième fréquence est le double de la première. Le son à 880 Hz est forcément deux fois plus intense. 440 Hz est une durée de 440 secondes.

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Réponse attendue : A, B, C

A — Vrai. Oui. T = 1/f ; doubler la fréquence divise la période par deux. On peut vérifier avec T₄₄₀ = 1/440 s et T₈₈₀ = 1/880 s.
B — Vrai. Oui. Pour des sons audibles, une fréquence plus élevée correspond à une hauteur perçue plus aiguë. Cette comparaison concerne la hauteur ; aucune donnée ne compare les amplitudes reçues.
C — Vrai. Oui. 880 Hz / 440 Hz = 2 ; le rapport des fréquences est sans dimension.
D — Faux. Non. La fréquence détermine la hauteur ; l’intensité ne se déduit pas de ce seul rapport.
E — Faux. Non. Le hertz est une unité de fréquence : 440 Hz signifie 440 répétitions par seconde, pas une période de 440 s.

Méthode à retenir. Séparer hauteur (liée à la fréquence) et intensité (liée à l’énergie du signal reçu).

Question 8

Un même la, deux instruments

Un violon et une flûte jouent une note de même fréquence fondamentale mais leurs sons sont reconnaissables à l’oreille. Quelle grandeur explique principalement la différence ?

La fréquence fondamentale est nécessairement différente parce que les instruments diffèrent. Le timbre est une propriété pertinente pour distinguer les deux sons. Le contenu en harmoniques peut différer. La différence prouve que le son de la flûte ne se propage pas dans l’air. La forme temporelle du signal peut être différente.

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Réponse attendue : B, C, E

A — Faux. Non. L’énoncé fixe la même fréquence fondamentale ; le timbre peut malgré tout distinguer les instruments.
B — Vrai. Oui. Il est lié à la forme du signal et au contenu harmonique, à hauteur comparable.
C — Vrai. Oui. Deux sons de même fondamentale peuvent présenter des composantes supplémentaires de proportions différentes. Les proportions des raies supérieures modifient la forme de l’onde malgré une note fondamentale identique.
D — Faux. Non. Les deux signaux atteignent l’auditeur par le milieu matériel ; leur différence vient de l’émission et de la forme du signal.
E — Vrai. Oui. Des contenus harmoniques différents donnent des formes d’onde différentes, associées au timbre. Un spectre plus riche reconstruit généralement un motif temporel différent de celui d’un son pur.

Méthode à retenir. À fondamentale identique, regarder la forme du signal et les harmoniques avant de conclure sur le timbre.

Question 9

Tourner le bouton de volume

Un haut-parleur reproduit la même note, mais on augmente le volume sonore sans modifier la fréquence fondamentale. Quelles propriétés peuvent changer ?

L’amplitude des variations de pression sonore peut augmenter. Le niveau d’intensité sonore perçu peut augmenter. L’unité de fréquence devient le décibel. Il faut garder distinctes hauteur et intensité sonore. La note devient forcément plus aiguë.

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Réponse attendue : A, B, D

A — Vrai. Oui. À conditions comparables, une émission plus intense correspond à une amplitude de vibration sonore plus grande.
B — Vrai. Oui. Une intensité reçue plus forte correspond à un niveau sonore en décibels plus élevé.
C — Faux. Non. La fréquence reste mesurée en hertz ; le décibel est utilisé pour le niveau d’intensité sonore.
D — Vrai. Oui. On peut augmenter la force d’un son sans changer sa note musicale. La hauteur est reliée à la fréquence fondamentale, tandis que le niveau dépend de l’énergie sonore reçue.
E — Faux. Non. La hauteur dépend principalement de la fréquence fondamentale, annoncée inchangée. Augmenter seulement l’amplitude peut rendre la note plus forte sans modifier ses cycles par seconde.

Méthode à retenir. Identifier ce qui est réglé : fréquence pour hauteur, amplitude/intensité pour volume sonore.

Question 10

Classer trois signaux

Un appareil produit trois signaux dans l’air : 10 Hz, 1000 Hz et 30 kHz. On prend comme domaine audible humain usuel environ 20 Hz à 20 kHz. Lesquels de ces classements sont exacts ?

1000 Hz est dans le domaine audible usuel. 30 kHz signifie 30 Hz. 30 kHz relève des ultrasons. 10 Hz relève des infrasons. 10 Hz est plus aigu que 1000 Hz puisque 10 est plus petit.

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Réponse attendue : A, C, D

A — Vrai. Oui. 1000 Hz se trouve entre environ 20 Hz et 20 000 Hz. Cette comparaison utilise des hertz des deux côtés, après conversion des bornes exprimées en kilohertz.
B — Faux. Non. Le préfixe kilo multiplie par 1000 : 30 kHz = 30 000 Hz. Cette conversion place 30 kHz au-dessus de 20 kHz, dans le domaine des ultrasons.
C — Vrai. Oui. 30 kHz = 30 000 Hz, supérieur à la borne haute usuelle d’environ 20 kHz.
D — Vrai. Oui. Sa fréquence est inférieure à la borne basse usuelle d’environ 20 Hz. Cette catégorie est située sous le domaine audible humain usuel annoncé dans l’énoncé.
E — Faux. Non. À domaine audible comparable, la hauteur augmente avec la fréquence, non quand elle diminue.

Méthode à retenir. Convertir kHz en Hz si nécessaire, puis comparer aux bornes approximatives 20 Hz et 20 kHz.

Question 11

Lire une échelle de niveaux

Une fiche de prévention donne 50 dB pour une conversation calme et 90 dB pour un outil bruyant. Elle rappelle que l’échelle des décibels n’est pas linéaire. Quelles affirmations sont exactes ?

L’écart 40 dB correspond forcément à 40 unités d’intensité ajoutées. Le niveau de 90 dB est plus faible que celui de 50 dB. 90 dB signifie que la fréquence est 90 Hz. Il ne faut pas affirmer que l’intensité est multipliée exactement par 90/50. La durée d’exposition ne change jamais le risque auditif à 90 dB.

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Réponse attendue : D

A — Faux. Non. Une différence de niveau en dB n’est pas une différence numérique d’intensité physique sur une échelle linéaire.
B — Faux. Sur l’échelle des niveaux sonores, 90 dB correspond à un niveau supérieur à 50 dB.
C — Faux. Non. Le décibel indique un niveau d’intensité sonore ; la fréquence se mesure en hertz. Un signal de 90 dB peut contenir diverses fréquences ; le niveau seul ne les indique pas.
D — Vrai. Oui. Une échelle logarithmique ne permet pas d’utiliser directement le quotient des valeurs en dB comme quotient des intensités.
E — Faux. La dose sonore dépend aussi du temps d’exposition : prolonger l’écoute peut augmenter le risque. Deux écoutes au même niveau peuvent présenter des expositions très différentes si leurs durées diffèrent.

Méthode à retenir. Lire les dB comme niveaux sur une échelle non linéaire ; ne pas en faire directement des rapports de fréquence ou d’intensité.

Question 12

Concert et durée d’exposition

Une personne se place près d’une enceinte puissante pendant un concert. Quelles actions de prévention sont cohérentes avec le risque auditif ?

Réduire la durée d’exposition peut diminuer le risque. Seuls les sons très aigus peuvent endommager l’audition. Un niveau sonore élevé est sans conséquence s’il est musical. S’éloigner de l’enceinte peut réduire le niveau reçu selon la situation. Seuls les musiciens peuvent bénéficier de protections auditives adaptées.

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Réponse attendue : A, D

A — Vrai. Oui. À niveau sonore élevé, le temps pendant lequel l’oreille reçoit l’énergie compte pour le risque.
B — Faux. Non. Un niveau sonore élevé et une longue exposition peuvent être dangereux même pour des sons graves.
C — Faux. Non. La nature musicale du signal ne supprime pas l’effet possible d’une exposition intense ou prolongée.
D — Vrai. Oui. Augmenter la distance de la source diminue généralement l’intensité reçue dans les conditions courantes d’un concert.
E — Faux. Les spectateurs exposés à un son fort peuvent aussi protéger leur audition avec des protections appropriées. Le risque concerne toute personne proche de l’enceinte, qu’elle joue ou écoute la musique.

Méthode à retenir. Pour prévenir le risque, considérer ensemble le niveau reçu, la durée et les protections adaptées.

Question 13

Mesurer une célérité

Deux microphones séparés de 1,70 m enregistrent le même bref claquement avec un décalage de 5,0 ms. On suppose que le son parcourt leur séparation suivant l’axe. Que déduit-on ?

La disposition des microphones doit être cohérente avec le trajet supposé. La célérité se calcule en divisant la distance parcourue par la durée de propagation. La célérité estimée est 340 m·s⁻¹. Le son parcourt deux fois la distance entre microphones dans ce protocole. Le retard vaut 5,0 × 10⁻³ s.

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Réponse attendue : A, B, C, E

A — Vrai. Oui. Si le son arrive obliquement, sa distance différentielle de propagation ne vaut pas nécessairement leur séparation ; l’hypothèse d’axe est donc importante.
B — Vrai. Dans le protocole indiqué, v = 1,70 m / 0,0050 s = 340 m·s⁻¹.
C — Vrai. Oui. v = d/Δt = 1,70 m / (5,0 × 10⁻³ s) = 340 m·s⁻¹.
D — Faux. Non. La mesure compare les instants où le même front atteint chacun des deux micros : la distance différentielle retenue est 1,70 m, pas un aller-retour.
E — Vrai. Oui. 1 ms = 10⁻³ s ; 5,0 ms = 5,0 × 10⁻³ s. L’unité seconde permet ensuite de diviser 1,70 m par cette durée sans facteur caché.

Méthode à retenir. Convertir le retard en s, diviser la distance parcourue par ce retard et expliciter l’hypothèse de propagation sur l’axe.

Question 14

Une chaîne de mesure du son

Un microphone enregistre un son et un logiciel affiche son signal au cours du temps. Quelles grandeurs peut-on étudier avec une représentation adaptée ?

L’axe horizontal temporel se mesure forcément en décibels. La seule forme de la courbe temporelle donne toujours la hauteur exacte du son. La fréquence peut être calculée par f = 1/T si le signal est périodique. La période d’un motif répété peut être mesurée sur l’axe du temps. La courbe temporelle donne toujours directement la distance du microphone à la source.

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Réponse attendue : C, D

A — Faux. Non. Sur un enregistrement temporel, l’axe horizontal représente le temps, souvent en s ou ms ; les décibels concernent un niveau sonore.
B — Faux. La hauteur dépend de la fréquence, à déterminer avec une période ou une analyse adaptée, pas de la seule forme.
C — Vrai. Oui. Avec T en s, f prend l’unité s⁻¹, appelée hertz. Cette relation suppose un motif effectivement répété ; pour un bruit non périodique, une période unique manquerait.
D — Vrai. Oui. Deux motifs dans le même état de vibration délimitent la période T, exprimée en secondes.
E — Faux. Non. Une seule courbe sans repère d’émission ni modèle de propagation ne fournit pas directement la distance.

Méthode à retenir. Lire d’abord les axes d’un enregistrement ; ne calculer f = 1/T qu’après avoir identifié une répétition périodique.

Question 15

Son sous l’eau

Un signal sonore se propage entre deux capteurs distants de 15 m dans l’eau en 10 ms. On compare la valeur obtenue à 340 m·s⁻¹ dans l’air. Quelles analyses conviennent ?

Un changement de milieu peut modifier la célérité d’un même son. Le calcul donne 1,5 m·s⁻¹ si on oublie de convertir les millisecondes. La célérité estimée dans l’eau vaut 1500 m·s⁻¹. Cette valeur est supérieure à 340 m·s⁻¹. L’énoncé fournit une distance entre capteurs et une durée de propagation associée.

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Réponse attendue : A, C, D, E

A — Vrai. La propagation dépend du milieu ; la valeur calculée dans l’eau peut donc différer de celle dans l’air.
B — Faux. Non. 15/10 avec 10 en ms donne 1,5 m·ms⁻¹, soit 1500 m·s⁻¹ après conversion.
C — Vrai. Oui. 10 ms = 0,010 s et v = 15 m / 0,010 s = 1500 m·s⁻¹.
D — Vrai. Oui. Pour les conditions précisées, 1500 m·s⁻¹ > 340 m·s⁻¹ ; le son peut se propager plus vite dans l’eau que dans l’air.
E — Vrai. Oui. On peut alors appliquer v = d/Δt parce que les deux valeurs concernent le même trajet du signal.

Méthode à retenir. Associer d et Δt au même trajet, convertir 10 ms en 0,010 s, puis comparer des célérités dans la même unité.

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