Déterminer la période et la fréquence d’un son pur.
Caractériser un son par sa fréquence et son niveau d’intensité acoustique en décibels (dB).
Connaître les seuils de dangerosité (85 dB) et de douleur (120 dB).
Comparer les atténuations phoniques de différents milieux.
Mettre en œuvre des émetteurs et capteurs piézoélectriques.
1. Qu’est-ce qu’un son ?
Définition
Un son est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel (air, bois, métal, eau). Il se transmet sous forme de compressions et de dépressions successives du milieu.
Attention
Le son ne se propage pas dans le vide. Contrairement à la lumière, il a besoin d’un support matériel pour se transmettre.
Chaîne de transmission sonore
La transmission d’un son nécessite trois éléments :
Un émetteur (objet qui vibre) : scie circulaire, haut-parleur, diapason.
Un milieu de propagation : air, bois, métal.
Un récepteur : oreille humaine, microphone, capteur piézoélectrique.
Exemple — En atelier
Quand un artisan menuisier utilise une ponceuse à bande, la vibration du papier abrasif sur le bois produit un son. Ce son se propage dans l’air de l’atelier jusqu’aux oreilles des autres travailleurs.
2. Fréquence et période d’un son pur
Définition — Période
La période \(T\) d’un son est la durée d’une oscillation complète. Elle s’exprime en secondes (s).
Définition — Fréquence
La fréquence \(f\) est le nombre d’oscillations par seconde. Elle s’exprime en hertz (Hz).
\[ f = \frac{1}{T} \qquad\text{et}\qquad T = \frac{1}{f} \]
\(f\) en Hz — \(T\) en s
Application rapide
Un son a une période \(T = 5\) ms. Calculez sa fréquence. Ce son est-il audible par l'oreille humaine ?
\(f = 1/T = 1/0{,}005 = 200\) Hz. Oui, 200 Hz est dans le domaine audible (20 Hz à 20 000 Hz).
Méthode — Déterminer la période sur un oscillogramme
Repérer deux pics consécutifs (ou deux creux) du signal.
Lire les instants \(t_1\) et \(t_2\) correspondants sur l’axe horizontal.
Calculer \(T = t_2 - t_1\).
Déduire \(f = 1/T\).
Exemple résolu
Sur un oscillogramme, on repère deux pics successifs aux instants \(t_1 = 2{,}0\,\text{ms}\) et \(t_2 = 4{,}3\,\text{ms}\).
\[ T = t_2 - t_1 = 4{,}3 - 2{,}0 = 2{,}3\,\text{ms} = 0{,}0023\,\text{s} \]
\[ f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0{,}0023} \approx 435\,\text{Hz} \]
Ce son a une fréquence proche du La musical (440 Hz).
Hauteur du son et domaines de fréquences
Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. Plus elle est basse, plus le son est grave.
Type
Fréquence
Perception
Infrasons
\(f < 20\,\text{Hz}\)
Non audible
Sons audibles
\(20\,\text{Hz} \leq f \leq 20\,000\,\text{Hz}\)
Audible
Ultrasons
\(f > 20\,000\,\text{Hz}\)
Non audible
3. Niveau d’intensité acoustique
Définition
Le niveau d’intensité acoustique \(L\) mesure la force d’un son. Il s’exprime en décibels (dB). On le mesure à l’aide d’un sonomètre.
Échelle des niveaux sonores
Situation
Niveau \(L\) (dB)
Sensation
Seuil d’audibilité
0
Plus faible son perceptible
Chuchotement
30
Très calme
Conversation normale
60
Confortable
Aspirateur industriel
80
Bruyant
Ponceuse à bande
95
Dangereux
Scie circulaire
102
Très dangereux
Seuil de douleur
120
Dommages immédiats
Seuils de danger pour l’oreille
85 dB : seuil de dangerosité — le port de protections auditives devient obligatoire en milieu professionnel.
120 dB : seuil de douleur — risque de lésions irréversibles de l’oreille interne.
L’exposition répétée à des niveaux supérieurs à 85 dB sans protection entraîne une surdité progressive et irréversible.
Exemple — Bruit en atelier
Un artisan menuisier utilise une scie circulaire à 102 dB. Ce niveau dépasse largement le seuil de 85 dB. Le port de bouchons d’oreilles (atténuation d’environ 30 dB) ou d’un casque anti-bruit (atténuation d’environ 25 dB) est indispensable.
4. Isolants phoniques
Définition
Un isolant phonique est un matériau qui absorbe une grande partie de l’énergie véhiculée par les ondes sonores. Il réduit le niveau de bruit transmis d’un côté à l’autre.
Propriété
Différents matériaux atténuent le son de façon inégale. En général, les matériaux poreux et souples (mousse, laine de roche, liège) absorbent mieux les ondes sonores que les matériaux durs et lisses (verre, métal).
Exemples de solutions d’isolation en atelier
Panneaux de mousse acoustique : posés sur les murs pour absorber les réflexions sonores.
Laine de roche / laine de verre : insérée dans les cloisons pour atténuer la transmission.
Plots anti-vibrations : placés sous les machines (scie, ponceuse) pour limiter la transmission des vibrations au sol.
Double vitrage : réduit la propagation du bruit vers l’extérieur.
Application rapide
Un artisan travaille dans un atelier où la scie circulaire produit 102 dB. Il porte un casque antibruit atténuant de 26 dB. Quel niveau sonore perçoit-il ? Est-il en sécurité ?
Niveau perçu : 102 − 26 = 76 dB. Oui : 76 dB < 85 dB (seuil de danger) → protection efficace.
Méthode — Comparer l'atténuation phonique
Pour comparer expérimentalement l’atténuation de différents matériaux :
Placer un émetteur sonore à fréquence et intensité fixées.
Mesurer le niveau sonore avec un sonomètre sans matériau entre l’émetteur et le sonomètre.
Insérer un échantillon de matériau et mesurer le nouveau niveau.
Calculer l’atténuation \(\Delta L = L_{\text{sans}} - L_{\text{avec}}\) (en dB).
Recommencer avec d’autres matériaux et comparer.
5. Capteurs piézoélectriques
Définition
Un capteur piézoélectrique est un composant électronique qui convertit une vibration mécanique en signal électrique (et inversement). Il peut servir d’émetteur ou de récepteur d’ondes sonores.
Fonctionnement
Mode récepteur : une onde sonore fait vibrer le cristal piézoélectrique, ce qui produit une tension électrique proportionnelle à la pression reçue.
Mode émetteur : on applique une tension électrique variable au cristal, qui se déforme et émet une onde sonore.
Applications des capteurs piézoélectriques
Microphone piézoélectrique : capte les vibrations pour les convertir en signal électrique.
Buzzer : convertit un signal électrique en son (alarme de machine, signal sonore).
Contrôle ultrasonore : détection de défauts dans les matériaux (bois, métal).
Capteurs de choc : détection d’impacts sur les machines.
6. Classer des sons du plus grave au plus aigu
Méthode
Pour classer des sons du plus grave au plus aigu, il suffit de les ranger par fréquence croissante :
Fréquence basse → son grave.
Fréquence haute → son aigu.
Exemple
Classement du plus grave au plus aigu :
Source
Fréquence
Classement
Voix masculine grave
100 Hz
1 — le plus grave
La musical (diapason)
440 Hz
2
Sifflement d’une scie circulaire
2 000 Hz
3
Alarme de machine
4 000 Hz
4 — le plus aigu
7. Protections auditives en milieu professionnel
Réglementation
À partir de 80 dB(A) : l’employeur doit mettre à disposition des protections auditives.
À partir de 85 dB(A) : le port de protections auditives est obligatoire.
La valeur limite d’exposition est 87 dB(A) (ne doit jamais être dépassée).
Types de protections
Protection
Atténuation moyenne
Usage typique
Bouchons d’oreilles en mousse
25 à 37 dB
Usage courant en atelier
Bouchons moulés sur mesure
20 à 30 dB
Usage régulier, confort amélioré
Casque anti-bruit (serre-tête)
20 à 34 dB
Machines très bruyantes
Exemple — Calcul d’atténuation
Un installateur thermique travaille près d’une machine à 95 dB. Il porte des bouchons d’oreilles atténuant de 30 dB.
Niveau perçu : \(95 - 30 = 65\,\text{dB}\). C’est en dessous du seuil de danger (85 dB) : la protection est efficace.
8. À retenir
Application rapide
Un artisan menuisier dispose de bouchons d'oreilles (−30 dB) et d'un casque (−26 dB). Quelle protection choisit-il pour travailler à 95 dB afin de passer sous le seuil de 85 dB ?
Les deux conviennent : 95 − 30 = 65 dB et 95 − 26 = 69 dB. Les bouchons d'oreilles offrent une légèrement meilleure atténuation.
Erreurs fréquentes à éviter
Croire que le son se propage dans le vide : le son est une vibration mécanique qui nécessite un milieu matériel. Contrairement à la lumière, il ne peut pas se propager dans le vide.
Confondre fréquence grave et aigu : une fréquence basse = son grave, une fréquence élevée = son aigu. 100 Hz est plus grave que 1000 Hz.
Additionner les décibels comme des nombres ordinaires : doubler l'intensité sonore ne double pas le niveau en dB. L'échelle des décibels est logarithmique.
Penser que les protections auditives éliminent tout le bruit : elles atténuent le niveau, mais ne l'annulent pas. Un bruit de 120 dB reste perceptible même avec un casque de 30 dB.
À retenir
Un son est une vibration mécanique. Il nécessite un émetteur, un milieu de propagation et un récepteur.
La période \(T\) (en s) et la fréquence \(f\) (en Hz) sont liées par \(f = 1/T\).
Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz.
Le niveau d’intensité acoustique \(L\) (en dB) mesure la force du son. Seuil de dangerosité : 85 dB. Seuil de douleur : 120 dB.
Les isolants phoniques (mousse, laine de roche, liège) absorbent l’énergie sonore et réduisent le bruit.
Les capteurs piézoélectriques convertissent une vibration en signal électrique et inversement.
En atelier, le port de protections auditives (bouchons, casque) est obligatoire dès 85 dB.