Calculer une distance avec d = v × t et une durée avec t = d / v (chapitre 7).
Convertir : 1 km = 1 000 m et 1 min = 60 s (maths).
Lire une valeur sur une échelle graduée (maths).
Objectifs du chapitre :
C1 – Savoir qu'un son a besoin d'un milieu matériel pour se propager.
C2 – Utiliser la vitesse du son pour relier distance et durée (d = v × t).
C3 – Connaître la fréquence d'un son et son unité (hertz).
C4 – Distinguer sons audibles, infrasons et ultrasons.
C5 – Connaître les risques auditifs et les moyens de se protéger.
1. Situation d'entrée — L'orage au stade
Situation — Le tonnerre arrive en retard
Inès joue au foot sur le stade. Le ciel devient noir.
Elle voit un éclair. Elle compte : 1, 2, 3, 4, 5, 6… et elle entend le tonnerre, 6 secondes plus tard.
L'éclair et le tonnerre sont produits en même temps, mais Inès ne les reçoit pas en même temps (sans échelle).
Question 1 : pourquoi Inès entend-elle le tonnerre après avoir vu l'éclair ? Question 2 : à quelle distance d'Inès la foudre est-elle tombée ?
Les réponses sont à la fin de la section 3.
2. Un son a besoin de matière pour voyager (C1)
Définition
Un son est produit par un objet qui vibre : il bouge très vite, en avant puis en arrière.
Exemples : la corde d'une guitare, la membrane d'une enceinte, tes cordes vocales quand tu parles.
La vibration se transmet de proche en proche à la matière autour (l'air, l'eau, un mur…) jusqu'à l'oreille. On dit que le son se propage.
La membrane de l'enceinte pousse l'air, qui pousse l'air suivant, jusqu'à l'oreille. L'air ne voyage pas : c'est la vibration qui avance.
À savoir
Le son se propage dans les gaz (l'air), dans les liquides (l'eau) et dans les solides (un mur, une table, un rail). Ce sont des milieux matériels : ils contiennent de la matière.
Le son ne se propage pas dans le vide. Dans l'espace, il n'y a presque pas de matière : aucun son ne voyage.
Activité expérimentale 1 — La sonnette sous la cloche
Matériel (expérience faite par le professeur) : une sonnette électrique à pile, une cloche en verre posée sur un plateau, une pompe à vide qui aspire l'air de la cloche.
La même sonnette, avec de l'air autour (à gauche) puis presque sans air (à droite).
1
Le professeur fait sonner la sonnette sous la cloche. Écoute.
2
Il met la pompe en marche : elle retire l'air de la cloche. Écoute encore et regarde le marteau.
3
Il fait rentrer l'air. Écoute une dernière fois.
a) Quand on retire l'air, la sonnette vibre-t-elle encore ?
b) Pourquoi n'entend-on presque plus rien ?
a) Oui : on voit le marteau bouger. La sonnette produit toujours une vibration.
b) Il n'y a presque plus d'air pour transmettre la vibration jusqu'à la cloche, puis jusqu'à nous. Quand l'air revient, on entend de nouveau la sonnerie. Conclusion : le son a besoin de matière pour se propager. Il ne se propage pas dans le vide.
On entend encore un tout petit peu : la pompe ne peut pas retirer tout l'air, et la vibration passe aussi par le support de la sonnette.
MéthodeSavoir si un son peut voyager
1
Je repère ce qu'il y a entre l'objet qui vibre et l'oreille.
2
C'est de la matière (gaz, liquide ou solide) ? → le son passe.
3
C'est le vide (l'espace) ? → le son ne passe pas.
Exemple : sur la Lune, deux astronautes sont à 3 m l'un de l'autre. L'un crie. L'autre l'entend-il ?
1
Entre les deux casques, il y a le vide : la Lune n'a pas d'atmosphère.
2
Le son ne se propage pas dans le vide : l'autre astronaute n'entend rien.
3
C'est pour cela que les astronautes se parlent par radio. Les ondes radio, elles, voyagent dans le vide.
Attention
Un son ne passe pas seulement dans l'air : on entend le voisin à travers un mur, et on entend sous l'eau à la piscine.
Dans les films, on entend des explosions dans l'espace : c'est faux, c'est ajouté au montage.
À toi (C1)
Dans chaque cas, le son peut-il arriver jusqu'à l'oreille ? Réponds par oui ou non.
a) Un plongeur entend un bateau sous l'eau.
b) Tu entends la perceuse du voisin à travers le mur.
c) Une explosion d'étoile, très loin dans l'espace, entendue depuis la Terre.
d) Un camarade t'appelle dans la cour.
a) Oui : l'eau est un liquide, le son passe.
b) Oui : le mur est un solide, le son passe.
c) Non : entre l'étoile et la Terre, c'est le vide. On peut voir sa lumière, mais pas entendre de son.
d) Oui : l'air est un gaz, le son passe.
3. La vitesse du son (C2)
Définition
Le son met du temps pour voyager. Sa vitesse dépend du milieu qu'il traverse.
Milieu
Vitesse du son (environ)
air (vers 15 à 20 °C)
340 m/s
eau
1 500 m/s
acier (un rail)
5 900 m/s
vide
le son ne se propage pas
À savoir
Dans l'air, le son parcourt environ 340 mètres en 1 seconde.
Le son va plus vite dans l'eau que dans l'air, et encore plus vite dans les solides.
La lumière va presque un million de fois plus vite que le son dans l'air (chapitre 13). Sur quelques kilomètres, on la voit arriver tout de suite.
Formules
Ce sont les formules du chapitre 7, avec la vitesse du son :
d = v × t et t = d / v
d : distance en mètres (m) ; v : vitesse du son en m/s ; t : durée en secondes (s).
MéthodeCalculer une distance ou une durée avec le son
1
Je repère le milieu : air → v = 340 m/s ; eau → v = 1 500 m/s.
2
Je repère ce que je cherche : la distance → d = v × t ; la durée → t = d / v.
3
Je vérifie les unités : des mètres, des secondes. Je calcule.
4
J'écris le résultat avec son unité.
Exemple 1 (chercher une distance) : le tonnerre d'Inès arrive 6 s après l'éclair.
1
Le son voyage dans l'air : v = 340 m/s.
2
Je cherche la distance : d = v × t.
3
d = 340 × 6 = 2 040.
4
d = 2 040 m, environ 2 km.
Astuce : en 3 secondes, le son parcourt 340 × 3 = 1 020 m, environ 1 km. Pour estimer la distance d'un orage, compte les secondes entre l'éclair et le tonnerre, puis divise par 3 : tu obtiens la distance en km. Si le tonnerre suit l'éclair de peu, l'orage est proche : abrite-toi dans un bâtiment ou une voiture, jamais sous un arbre.
Exemple 2 (chercher une durée) : à un concert en plein air, Malik est à 170 m de la scène. Combien de temps le son de la batterie met-il pour lui arriver ?
1
Le son voyage dans l'air : v = 340 m/s.
2
Je cherche la durée : t = d / v.
3
t = 170 / 340 = 0,5.
4
t = 0,5 s. Malik voit le batteur frapper un peu avant d'entendre le coup.
Définition
Un écho, c'est un son qui rebondit sur un obstacle (une falaise, un mur, le fond de la mer) et qui revient.
Le son fait un aller puis un retour : il parcourt deux fois la distance jusqu'à l'obstacle.
Exemple 3 (l'écho d'un sonar) : le sonar d'un bateau de pêche envoie un son vers le fond. L'écho revient 0,2 s plus tard. Quelle est la profondeur ?
Le son du sonar descend jusqu'au fond, rebondit et remonte : il fait l'aller et le retour (sans échelle).
1
Le son voyage dans l'eau : v = 1 500 m/s.
2
Distance aller + retour : d = v × t = 1 500 × 0,2 = 300 m.
3
Le son a fait deux fois le trajet : profondeur = 300 / 2 = 150 m.
Attention
La distance doit être en mètres et la durée en secondes. Convertis d'abord : 2 km = 2 000 m ; 1 min = 60 s.
Pour un écho, le son fait l'aller et le retour : n'oublie pas de diviser par 2 pour trouver la distance de l'obstacle.
Dans l'eau, on utilise 1 500 m/s, pas 340 m/s.
À toi (C2)
a) Pendant un orage, Yanis compte 9 s entre l'éclair et le tonnerre. Calcule la distance de l'orage.
b) Un feu d'artifice éclate à 680 m de Sarah. Calcule la durée que met le son pour lui arriver.
a) Dans l'air, v = 340 m/s. d = v × t = 340 × 9 = 3 060 m, environ 3 km.
b) t = d / v = 680 / 340 = 2 s. Sarah voit l'explosion, puis l'entend 2 secondes plus tard.
À toi (C2)
Le sonar d'un bateau envoie un son vers le fond de la mer. L'écho revient 0,4 s plus tard. Dans l'eau, v = 1 500 m/s.
a) Calcule la distance parcourue par le son (aller et retour).
b) Déduis-en la profondeur.
a) d = v × t = 1 500 × 0,4 = 600 m (aller et retour).
b) Profondeur = 600 / 2 = 300 m.
Réponse à la situation d'entrée :
1
L'éclair et le tonnerre partent en même temps. La lumière arrive presque tout de suite ; le son va beaucoup moins vite (340 m/s) : il arrive après.
2
d = v × t = 340 × 6 = 2 040 m : la foudre est tombée à environ 2 km d'Inès. L'orage est proche : elle doit quitter le terrain et s'abriter.
4. La fréquence d'un son (C3)
Définition
La fréquence d'un son, c'est le nombre de vibrations en 1 seconde.
Son unité est le hertz (symbole Hz). Un son de 440 Hz vient d'un objet qui vibre 440 fois par seconde.
Pour les grandes fréquences, on utilise le kilohertz (kHz) : 1 kHz = 1 000 Hz.
À savoir
Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu (un sifflet, un oiseau).
Plus la fréquence est petite, plus le son est grave (une grosse caisse, un camion qui passe).
Pendant la même durée, l'objet qui produit le son aigu vibre plus de fois : sa fréquence est plus grande.
Activité expérimentale 2 — La règle qui vibre
Matériel : une règle en plastique de 30 cm, une table.
1
Pose la règle sur la table. Laisse dépasser 20 cm. Tiens bien l'autre bout avec la main.
2
Appuie sur le bout qui dépasse, puis lâche. Regarde la règle et écoute.
3
Recommence en laissant dépasser seulement 10 cm.
a) Dans quel cas la règle vibre-t-elle le plus vite ?
b) Dans quel cas le son est-il le plus aigu ?
a) Avec 10 cm qui dépassent, la règle vibre plus vite : elle fait plus de vibrations en 1 seconde.
b) Avec 10 cm, le son est plus aigu. Avec 20 cm, il est plus grave. Conclusion : plus un objet vibre vite (grande fréquence), plus le son est aigu. C'est pareil pour une corde de guitare : plus elle est courte, plus le son est aigu.
MéthodeComparer deux sons avec leur fréquence
1
J'écris les deux fréquences dans la même unité (en Hz).
2
La plus grande fréquence → le son le plus aigu. La plus petite → le son le plus grave.
Exemple : la note la (« la 3 ») d'un diapason a une fréquence de 440 Hz. Une sirène d'alarme émet un son de 2 kHz. Lequel est le plus aigu ?
1
Même unité : 2 kHz = 2 × 1 000 = 2 000 Hz.
2
2 000 Hz > 440 Hz : la sirène est plus aiguë que le diapason.
Attention
Aigu ne veut pas dire fort. Aigu ou grave, c'est la fréquence (en Hz). Fort ou faible, c'est le niveau sonore (en dB, section 6).
Ne compare pas des Hz avec des kHz : convertis d'abord.
À toi (C3)
a) La corde d'une guitare vibre 330 fois par seconde. Quelle est la fréquence du son ?
b) Son A : 250 Hz. Son B : 1 000 Hz. Lequel est le plus aigu ?
c) Convertis 5 kHz en Hz.
a) 330 vibrations en 1 seconde : la fréquence est 330 Hz.
b) 1 000 Hz > 250 Hz : le son B est le plus aigu.
c) 5 kHz = 5 × 1 000 = 5 000 Hz.
5. Sons audibles, infrasons et ultrasons (C4)
Définition
L'oreille humaine n'entend pas toutes les fréquences.
Les sons audibles ont une fréquence entre 20 Hz et 20 000 Hz : l'oreille humaine les entend.
Les infrasons ont une fréquence plus petite que 20 Hz : trop graves, on ne les entend pas.
Les ultrasons ont une fréquence plus grande que 20 000 Hz : trop aigus, on ne les entend pas.
Les trois domaines de fréquences. L'échelle n'est pas proportionnelle : la bande verte va de 20 Hz à 20 000 Hz.
Exemple
Fréquence (environ)
Domaine
appels des éléphants (les plus graves)
de 14 à 20 Hz
infrasons
note la du diapason
440 Hz
audible
sifflet pour chien (le chien entend, pas nous)
plus de 20 000 Hz
ultrasons
cris des chauves-souris pour repérer les insectes
de 20 000 à 120 000 Hz
ultrasons
échographie à l'hôpital
plusieurs millions de Hz
ultrasons
À savoir
Avec l'âge, on entend de moins en moins les sons très aigus. Un adulte n'entend souvent plus les sons au-dessus de 15 000 Hz.
Les ultrasons sont très utiles : le sonar des bateaux, l'échographie qui montre un bébé dans le ventre de sa mère, certains détecteurs de distance des voitures (radar de recul).
Le chien entend des sons jusqu'à environ 45 000 Hz : il entend des ultrasons que nous n'entendons pas.
MéthodeTrouver le domaine d'un son
1
J'écris la fréquence en Hz (1 kHz = 1 000 Hz).
2
Plus petite que 20 Hz → infrason.
3
Entre 20 Hz et 20 000 Hz → son audible.
4
Plus grande que 20 000 Hz → ultrason.
Exemple : un dauphin émet des « clics » de 100 kHz pour repérer les poissons. Peut-on les entendre ?
1
En Hz : 100 kHz = 100 × 1 000 = 100 000 Hz.
2
100 000 Hz est plus grand que 20 000 Hz : ce sont des ultrasons.
3
L'oreille humaine ne les entend pas.
Attention
Un infrason ou un ultrason est bien un son : c'est une vibration qui a besoin de matière. Simplement, notre oreille ne l'entend pas.
« Infra » veut dire « en dessous » (trop grave) ; « ultra » veut dire « au-delà » (trop aigu). Ne les inverse pas.
À toi (C4)
Pour chaque son, écris : infrason, son audible ou ultrason.
a) 10 Hz b) 440 Hz c) 15 000 Hz d) 50 000 Hz e) 25 kHz
a) 10 Hz < 20 Hz : infrason.
b) 440 Hz est entre 20 et 20 000 Hz : son audible.
c) 15 000 Hz est entre 20 et 20 000 Hz : son audible.
d) 50 000 Hz > 20 000 Hz : ultrason.
e) 25 kHz = 25 000 Hz > 20 000 Hz : ultrason.
6. Les risques auditifs et les protections (C5)
Définition
Le niveau sonore dit si un son est fort ou faible. Il se mesure avec un sonomètre.
Son unité est le décibel (symbole dB). Plus le nombre de dB est grand, plus le son est fort.
Échelle des niveaux sonores (en dB). Repères : ministère chargé de la Santé et INRS ; seuils de 80 et 85 dB : Code du travail (article R4431-2).
À savoir
À partir de 80 dB, un bruit qui dure toute la journée commence à abîmer l'oreille.
À partir de 85 dB, c'est le seuil de danger. Au travail, au-dessus de 85 dB, le port de protections auditives est obligatoire (INRS).
À 120 dB, le bruit fait mal : c'est le seuil de douleur. Un seul bruit très fort (un pétard qui éclate près de l'oreille) peut abîmer l'oreille pour toujours.
Le danger dépend du niveau sonore et de la durée. Chaque fois qu'on ajoute 3 dB, il faut diviser par 2 la durée pour garder le même risque (INRS) :
Niveau sonore
80 dB
83 dB
86 dB
89 dB
92 dB
95 dB
Même risque pour une durée de
8 h
4 h
2 h
1 h
30 min
15 min
Définition
Un bruit trop fort ou trop long peut causer :
une fatigue auditive : on entend moins bien pendant quelques heures, comme si on avait du coton dans les oreilles ;
des acouphènes : on entend des sifflements ou des bourdonnements qui ne viennent de nulle part ;
une surdité : on perd une partie de l'audition. Les cellules de l'oreille abîmées ne repoussent pas : la perte est définitive.
Le panneau bleu rond signale une obligation : ici, porter des protections auditives. Casque et bouchons diminuent le niveau sonore qui arrive dans l'oreille.
Se protéger
Porter des bouchons d'oreille ou un casque antibruit en concert, en discothèque, à l'atelier ou sur un chantier.
S'éloigner des enceintes et des machines bruyantes.
Faire des pauses dans un endroit calme pour reposer ses oreilles.
Baisser le volume du casque ou des écouteurs et limiter la durée d'écoute. En France, le volume des baladeurs et téléphones est limité à 100 dB.
En France, le son d'un concert ne doit pas dépasser 102 dB en moyenne sur 15 minutes (décret du 7 août 2017) : c'est déjà dangereux si on reste longtemps près des enceintes.
Activité expérimentale 3 — Mesurer des niveaux sonores
Matériel : un sonomètre, ou un téléphone avec une application sonomètre.
1
Mesure le niveau sonore de la classe quand tout le monde se tait. Note la valeur en dB.
2
Mesure le niveau quand tout le monde parle en même temps. Note la valeur.
3
Le professeur met en marche un appareil bruyant (aspirateur, sèche-cheveux ou perceuse). Mesure à 1 m, puis à 3 m. Note les valeurs.
a) Compare chaque valeur avec 85 dB. Lesquelles sont dangereuses si elles durent longtemps ?
b) Que se passe-t-il quand tu t'éloignes de l'appareil ?
a) Une classe silencieuse est souvent autour de 40 dB : pas de danger. Quand tout le monde parle, on dépasse souvent 70 dB : c'est fatigant, mais en dessous de 85 dB. Un appareil bruyant mesuré de près peut approcher ou dépasser 85 dB : dangereux s'il dure longtemps. Les valeurs exactes dépendent de ta classe et de ton appareil.
b) Quand on s'éloigne, le niveau sonore baisse. Conclusion : on mesure le niveau sonore en dB avec un sonomètre. S'éloigner de la source est déjà une protection.
MéthodeSavoir si un bruit est dangereux et réagir
1
Je lis le niveau sonore en dB.
2
Je compare avec 85 dB (seuil de danger) et 120 dB (douleur).
3
85 dB ou plus ? → je me protège (bouchons, casque) et je limite la durée.
Exemple : dans un atelier de menuiserie, une scie circulaire fait 95 dB. Selon l'INRS, beaucoup de machines à bois dépassent 90 dB.
1
Niveau sonore : 95 dB.
2
95 dB est plus grand que 85 dB : c'est dangereux. D'après le tableau, 15 minutes à 95 dB font autant de dégâts que 8 heures à 80 dB.
3
Le menuisier porte un casque antibruit ou des bouchons, tout le temps où la machine tourne.
Attention
Les dB ne s'additionnent pas comme des nombres ordinaires : deux machines de 80 dB ensemble font environ 83 dB, pas 160 dB.
Ne pas avoir mal ne veut pas dire ne pas être en danger : l'oreille s'abîme dès 85 dB, sans douleur.
Des sifflements dans les oreilles après un concert sont un signal d'alerte : il faut reposer ses oreilles. S'ils durent plus d'une journée, on consulte un médecin.
À toi (C5)
a) Une conversation fait 60 dB. Est-ce dangereux ?
b) Une perceuse fait 95 dB. Est-ce dangereux ? Que faut-il porter ?
c) Lina va à un concert. Donne deux gestes pour protéger ses oreilles.
a) 60 dB < 85 dB : pas dangereux.
b) 95 dB > 85 dB : dangereux. Il faut porter un casque antibruit ou des bouchons d'oreille.
c) Par exemple : porter des bouchons d'oreille ; rester loin des enceintes ; faire des pauses au calme. (Deux gestes suffisent.)
À toi (C5)
Sami écoute de la musique au casque à 89 dB.
a) Avec le tableau, combien de temps peut-il écouter pour le même risque que 8 h à 80 dB ?
b) Que lui conseilles-tu ?
a) Dans le tableau, 89 dB correspond à 1 heure.
b) Baisser le volume et faire des pauses. À 80 dB, il pourrait écouter beaucoup plus longtemps.
7. L'essentiel à retenir
À retenir :
Un son est produit par un objet qui vibre.
Le son a besoin d'un milieu matériel (gaz, liquide, solide). Il ne se propage pas dans le vide.
Vitesse du son : environ 340 m/s dans l'air et 1 500 m/s dans l'eau.
d = v × t et t = d / v, avec d en m, v en m/s, t en s. Pour un écho, le son fait l'aller et le retour.
La fréquence est le nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Grande fréquence = son aigu ; petite fréquence = son grave.
Infrasons : moins de 20 Hz. Sons audibles : de 20 Hz à 20 000 Hz. Ultrasons : plus de 20 000 Hz.
Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) avec un sonomètre. Danger à partir de 85 dB ; douleur à 120 dB.
Se protéger : bouchons ou casque antibruit, s'éloigner de la source, faire des pauses, baisser le volume.
Erreurs fréquentes
Croire que le son voyage dans le vide : dans l'espace, aucun son ne passe.
Utiliser 340 m/s dans l'eau : dans l'eau, c'est 1 500 m/s.
Oublier l'aller-retour d'un écho : on divise la distance par 2.
Mélanger les unités : des km ou des minutes doivent être convertis en m et en s.
Confondre aigu et fort : aigu, c'est la fréquence (Hz) ; fort, c'est le niveau sonore (dB).
Inverser infrasons et ultrasons : infra = trop grave ; ultra = trop aigu.
Attendre d'avoir mal pour se protéger : l'oreille s'abîme dès 85 dB, sans douleur.