Les ondes sonores : fréquence et hauteur d'un son
Contexte : Grave ou Aigu, une Histoire de Fréquence
En musique comme dans la nature, les sons peuvent être graves (comme le son d'un tuba) ou aigus (comme le sifflement d'un oiseau). Cette caractéristique d'un son, appelée la hauteurCaractéristique d'un son qui permet de le classer comme grave ou aigu., est directement liée à une grandeur physique mesurable : la fréquenceNombre de vibrations (ou de périodes) d'un signal par seconde. Elle se mesure en Hertz (Hz).. Un son aigu correspond à une fréquence élevée, tandis qu'un son grave correspond à une fréquence basse. Un oscilloscope permet de visualiser ces signaux sonores et de mesurer leur fréquence pour confirmer nos perceptions.
Remarque Pédagogique : Cet exercice fait le lien entre une sensation subjective (la perception d'un son comme étant grave ou aigu) et une mesure physique objective (la fréquence). C'est un exemple parfait de la manière dont la physique permet de quantifier et d'expliquer le monde qui nous entoure.
Objectifs Pédagogiques
- Relier la hauteur d'un son à la fréquence du signal sonore correspondant.
- Identifier visuellement un son grave et un son aigu sur des oscillogrammes.
- Mesurer la période d'un signal sonore sur un oscillogramme.
- Calculer la fréquence d'un son à partir de sa période.
- Confirmer par le calcul la relation entre fréquence et hauteur.
Données de l'étude
Son A
Son B
- Base de temps (balayage horizontal) : \(S_h = 1 \, \text{ms/div}\)
Questions à traiter
- Sans faire de calcul, lequel de ces deux sons (A ou B) est le plus aigu ? Justifier en observant les oscillogrammes.
- Calculer la période \(T_A\) du son A, puis sa fréquence \(f_A\).
- Calculer la période \(T_B\) du son B, puis sa fréquence \(f_B\).
- Comparer les fréquences \(f_A\) et \(f_B\). Votre réponse à la première question était-elle correcte ?
Correction : Les ondes sonores : fréquence et hauteur d'un son
Question 1 : Identification du son le plus aigu
Principe :
Un son aigu correspond à une vibration plus rapide de la source sonore. Sur un oscilloscope, cela se traduit par un motif qui se répète plus souvent sur une même durée. Le signal apparaît donc plus "serré" ou "resserré" horizontalement.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : On peut raisonner à l'inverse : pour un son plus aigu, la durée d'un motif (la période) est plus courte. On cherche donc le signal dont le motif est le plus court en largeur sur l'écran.
Formule(s) utilisée(s) :
Aucune formule, il s'agit d'une analyse visuelle.
Donnée(s) :
Les deux oscillogrammes A et B.
Calcul(s) :
En observant les deux écrans, on voit que le motif du signal B se répète plus de fois que celui du signal A sur la même largeur d'écran. Le signal B est plus "resserré".
Points de vigilance :
Ne pas confondre hauteur et amplitude : La hauteur (grave/aigu) est liée à la fréquence (l'étalement horizontal). L'amplitude (la hauteur verticale du signal) est liée au volume sonore (fort/faible). Un son peut être grave et fort, ou aigu et faible.
Le saviez-vous ?
Question 2 : Période et Fréquence du Son A
Principe :
On mesure la largeur d'un motif complet du son A. On voit qu'un motif s'étend sur 2,5 divisions. On calcule ensuite la période \(T_A\) avec la base de temps, puis la fréquence \(f_A\) en faisant l'inverse de la période.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : Pour être précis, on mesure la distance entre deux points identiques du motif, par exemple, entre le début du motif et la fin du motif où il s'apprête à recommencer.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Nombre de divisions pour le son A : \(X_A = 2.5 \, \text{div}\)
- Base de temps : \(S_h = 1 \, \text{ms/div} = 0.001 \, \text{s/div}\)
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Conversion des millisecondes : Ne pas oublier de convertir la période de millisecondes (ms) en secondes (s) avant de calculer la fréquence, sinon le résultat sera faux d'un facteur 1000.
Le saviez-vous ?
Question 3 : Période et Fréquence du Son B
Principe :
On applique exactement la même méthode pour le son B. On mesure la largeur d'un motif, qui est ici de 1,25 division. On en déduit la période \(T_B\), puis la fréquence \(f_B\).
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La rigueur est importante. Même si le principe est identique, il faut refaire chaque étape du calcul pour le nouveau cas afin d'éviter les erreurs de confusion entre les deux sons.
Formule(s) utilisée(s) :
Donnée(s) :
- Nombre de divisions pour le son B : \(X_B = 1.25 \, \text{div}\)
- Base de temps : \(S_h = 1 \, \text{ms/div} = 0.001 \, \text{s/div}\)
Calcul(s) :
Points de vigilance :
Lecture précise sur la grille : La lecture du nombre de divisions doit être la plus précise possible. Ici, le motif se termine exactement entre la première et la deuxième division, d'où 1,25 div.
Le saviez-vous ?
Question 4 : Conclusion
Principe :
On compare les deux fréquences calculées pour valider l'observation initiale. Le son avec la fréquence la plus élevée est bien celui qui est perçu comme le plus aigu.
Remarque Pédagogique :
Point Clé : La boucle est bouclée. On est parti d'une observation qualitative (le son B semble plus aigu) pour arriver à une confirmation quantitative (la fréquence de B est plus élevée que celle de A). C'est le cœur de la démarche scientifique.
Formule(s) utilisée(s) :
Aucune formule, il s'agit de comparer les résultats \(f_A\) et \(f_B\).
Donnée(s) :
- Fréquence du son A : \(f_A = 400 \, \text{Hz}\)
- Fréquence du son B : \(f_B = 800 \, \text{Hz}\)
Calcul(s) :
On compare les deux valeurs : \(800 \, \text{Hz} > 400 \, \text{Hz}\), donc \(f_B > f_A\).
Défi : Calculez vous-même !
Un dauphin communique avec un son de fréquence 50 000 Hz (un ultrason). Quelle est la période de ce signal en microsecondes (µs) ? (Rappel : 1 s = 1 000 000 µs)
Le Saviez-Vous ?
L'effet Doppler est la modification de la fréquence d'une onde lorsque la source se déplace par rapport à l'observateur. C'est pourquoi le son de la sirène d'une ambulance semble plus aigu lorsqu'elle s'approche (fréquence perçue plus haute) et plus grave lorsqu'elle s'éloigne (fréquence perçue plus basse).
Foire Aux Questions (FAQ)
Tous les sons ont-ils une forme de vague régulière ?
Non. Les sons purs, comme celui d'un diapason, ont une forme de sinusoïde parfaite. Les sons musicaux ont des formes plus complexes mais qui restent périodiques (le motif se répète). Les bruits (une porte qui claque, une feuille froissée) ont des signaux non-périodiques, leur forme est irrégulière et ne se répète pas.
Peut-on voir le son ?
Pas directement, car le son est une vibration de la matière. Cependant, on peut en voir les effets. Par exemple, les ronds dans l'eau quand on y jette une pierre sont une visualisation d'une onde. De même, un oscilloscope ne "voit" pas le son, mais il convertit sa vibration en un signal électrique qu'il peut ensuite afficher sur un écran.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. Un son devient de plus en plus grave. Sa fréquence :
2. Un signal A a une période de 4 ms. Un signal B a une période de 2 ms. Lequel est le plus aigu ?
Glossaire
- Hauteur d'un son
- Caractéristique perceptive d'un son qui le classe sur une échelle de "grave" à "aigu".
- Fréquence (f)
- Grandeur physique qui mesure le nombre de vibrations d'un signal par seconde. Son unité est le Hertz (Hz). Une haute fréquence correspond à un son aigu.
- Période (T)
- Durée d'une seule vibration ou d'un motif complet d'un signal. C'est l'inverse de la fréquence (\(T = 1/f\)). Son unité est la seconde (s).
- Oscillogramme
- Graphique représentant un signal en fonction du temps, tel qu'affiché sur l'écran d'un oscilloscope.
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