Tout son (signal sonore) qui est capté par un récepteur, l’oreille humaine par exemple, a d’abord été émis par un objet vibrant puis s’est propagé dans un milieu matériel.
I Principe de l’émission d’un signal sonore
Un son naît dès qu’un objet vibre et qu’il transmet ses vibrations au milieu matériel (air, eau, métal…) qui l’entoure. Des exemples d’objets vibrants émettant un son sont : les cordes vocales, les cordes d’une guitare, la hanche d’une clarinette, la membrane d’un haut-parleur, etc.
Les émetteurs sonores (instrument de musique, haut-parleur…) comportent en général une caisse de résonance ayant pour rôle de transmettre les oscillations de l’objet vibrant à l’air contenu dans la caisse et d’amplifier spécifiquement certaines vibrations de fréquences particulières. Dans le cas de la voix humaine, la caisse de résonance du son émis par les cordes vocales est constituée du pharynx et des cavités buccale et nasale.
II Propagation d’un signal sonore
La propagation d’un signal sonore depuis un émetteur jusqu’à un récepteur est le résultat de la transmission de proche en proche de la vibration initiale de l’objet vibrant.
Contrairement à la lumière, le son ne se propage pas dans le vide. Cette propagation ne peut avoir lieu que dans un milieu matériel (gaz, liquide, solide).
La vitesse v du son (en m · s–1) s’exprime par la relation ; d étant la distance (en m) parcourue par le son pendant la durée Δt (en s).
Repère
À noterPlus le milieu est dense, et plus le son se propage vite.
La vitesse de propagation d’un signal sonore dépend de la nature du milieu matériel : dans l’air à 20 °C, ; dans l’eau, veau = 1 500 m · s–1.
Méthode
Mesurer la vitesse de propagation d’un sonAfin de mesurer la vitesse de propagation d’un son dans l’air, on enregistre la réception d’un clap sonore par deux microphones, distants de d = 1,00 m, placés dans l’alignement de la source sonore.
Montage expérimental
Oscillogramme
L’axe horizontal de l’oscillogramme est l’axe des temps et son échelle est la base de temps. L’axe vertical est l’axe des tensions et son échelle (éventuellement différente sur les deux voies) est la sensibilité verticale.
Les réglages de l’oscilloscope sont les suivants :
• base de temps : 500 µs · div–1 ;
• sensibilités verticales : voie 1 : 100 mV · div–1 ; voie 2 : 50 mV · div–1.
a. Indiquer la voie correspondant à chaque courbe de l’oscillogramme.
b. Déterminer en m · s–1 la vitesse de propagation du son dans l’air, obtenue à l’aide de cette expérience.
Repère
Conseilsa. Le signal le plus « à gauche » sur l’oscillogramme est le premier reçu.
b. Mesurez sur l’oscillogramme la durée Δt qui s’est écoulée entre la réception du clap par les deux microphones en utilisant la base de temps (échelle horizontale). Attention aux unités : 1 µs = 10−6 s.
Solution
a. Le microphone 1 (connecté à la voie 1) reçoit le signal sonore en premier car il est le plus proche de la source sonore.
b. La durée Δt entre la réception du son par les deux microphones correspond à 5,8 divisions sur l’écran donc :
Δt = 5,8 × 500 µs = 2 900 µs = 2,9 × 10–3 s.
La vitesse du son est donc : = 3,4 × 102 m · s–1.
