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Chapitre 3: Le son. 3.1 La nature des ondes sonores Les ondes sonores sont des ondes longitudinales caractérisées par des fluctuations de densité et de.

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1 Chapitre 3: Le son

2 3.1 La nature des ondes sonores Les ondes sonores sont des ondes longitudinales caractérisées par des fluctuations de densité et de pression (20 Hz à Hz). Les infrasons ont des fréquences inférieures à 20 Hz. Les ultrasons ont des fréquences supérieures à Hz. Simulation: pianopiano

3 Une onde sonore produit des zones de compression et de raréfactions de lair qui correspondent à des variations de pression de lordre de 1 Pa (sur 10 5 Pa) À londe de pression, correspond londe de déplacement qui est en avance de 90 o. Un déplacement nul correspond à une variation de pression maximale. Déplacement nul correspond à une variation de pression maximale. Simulations: U. NantesU. Nantes

4 3.2 Les ondes stationnaires résonantes Les ondes sonores se réfléchissent aussi bien à lextrémité fermée qua lextrémité ouverte dun tuyau. Une onde sonore est partiellement réfléchie et partiellement transmise lorsque la section dun tuyau change. Puisque les ondes sont réfléchies à chaque extrémité, des ondes stationnaires peuvent exister dans un tuyau. Un tuyau fermé est un tuyau fermé à un bout et ouvert à lautre. Un tuyau ouvert est un tuyau ouvert aux deux extrémités. À lextrémité fermée, le déplacement est nul et la pression est maximale. (noeud de déplacement et ventre de pression) À lextrémité ouverte, la pression est nulle et le déplacement est maximal. (noeud de pression et ventre de déplacement).

5 Tuyau fermé: Le mode fondamental (ou première harmonique) est obtenu lorsque la longueur du tuyau est égale à λ / 4 Les autres modes sont obtenus en ajoutant un nombre entier de λ /2, ce qui est équivalent à un nombre impair de λ / 4. n = 1, 3, 5, 7, … Seules les harmoniques impaires sont présentes. Simulation de tuyaux sonorestuyaux sonores

6 Il y a là deux problèmes en un. Il faut commencer par trouver la fréquence f 3 du troisième harmonique dun tuyau fermé et légaler à la fréquence f 2 du deuxième harmonique dune corde. Notez la présentation hiérarchique de la solution. 3.2 (suite) Exemple E15

7 Tuyau ouvert: Le mode fondamental (ou première harmonique) est obtenu lorsque la longueur du tuyau est égale à λ / 2 Les autres modes sont obtenus en ajoutant un nombre entier de λ /2, n = 1, 2, 3, 4, … toutes les harmoniques (paires et impaires) sont présentes.

8 3.3 Leffet Doppler: Source au repos et observateur en mouvement. Vu du référentiel O, qui se déplace à une vitesse v O par rapport à lair, les ondes arrivent à une vitesse v=v+ v O, ce qui change la fréquence f car λ ne change pas. Simulation de leffet Doppler: U. NantesU. Nantes

9 3.3 Leffet Doppler: Source en mouvement et observateur au repos. La vitesse des ondes ne change pas. La longueur donde λ diminue de v s T car la source se déplace de cette distance en rattrapant le front donde précédent. Simulations de leffet Doppler: U. Nantes, W. Fendt, MSU, FK HwangU. Nantes, W. FendtMSUFK Hwang

10 3.4 Linterférence dans le temps: les battements Simulations des battements: W. FendtW. Fendt Si deux ondes qui ont des fréquences voisines interfèrent, le résultat est un phénomène périodique appelé battement. La fréquence de battement est le double de la fréquence de modulation de lenveloppe.

11 Lintensité I du son est la puissance par unité daire perpendiculaire à la direction de propagation. Selon A. G. Bell, il faut augmenter lintensité du son par un facteur de 10 pour doubler lintensité du son perçu par loreille. Le niveau sonore (en bels) se définit comme le nombre de multiplications par dix nécessaires pour obtenir sa valeur à partir du seuil daudibilité. Si I = 10 n I 0, alors le niveau sonore est de n bels. On utilise léchelle logarithmique des décibels (dB), cest-à-dire le dixième du bel. 3.5 Lintensité du son

12 Exemple E32 Si une seule personne crie dans les gradins dun stade, lintensité au centre du terrain vaut 50 dB. Quelle est lintensité en décibels lorsque 2 x 10 4 spectateurs crient à peu près à la même distance? β 1, I 1 : Intensité pour une personne β 2, I 2 : Intensité pour 2 x 10 4 personne


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