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Chapitre 10 – Exercices par capacités

Propagation d'un signal sonore  |  1ère Bac Pro ERA-MA  |  Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Capacités et connaissances du programme :

À connaître : \(c = \dfrac{d}{t}\), \(T = \dfrac{1}{f}\), \(\lambda = c \times T\), les ordres de grandeur de la célérité du son dans l'air et dans l'eau, le seuil de danger et le seuil de douleur. Les relations du niveau en décibels sont fournies en évaluation. Pour aller plus loin, hors programme du groupement 3 : le calcul du niveau d'exposition quotidienne \(L_{EX,8h}\) sur plusieurs phases. Ces exercices ne sont pas évalués.

C1 — Caractériser un signal sonore et son milieu de propagation

Rappel de cours

Le son est une onde mécanique : une vibration de la source crée des compressions et des dilatations qui se propagent de proche en proche, sans transporter la matière.

  • Le son a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solides) : il ne se propage pas dans le vide.
  • La pression acoustique est la petite variation de pression autour de la pression moyenne. Un microphone la mesure et la convertit en signal électrique.

Exercice 1

Pour chaque affirmation, répondre par vrai ou faux et corriger les affirmations fausses.

  1. Le son se propage dans le vide.
  2. Le son peut se propager dans l'eau et dans l'acier.
  3. Quand un son se propage, l'air se déplace de la source jusqu'à l'oreille.
  4. La lumière et le son ont tous les deux besoin d'air pour se propager.

Exercice 2

Pendant une séance de natation synchronisée, les nageuses ont la tête sous l'eau. Elles entendent pourtant la musique diffusée par un haut-parleur placé dans le bassin.

  1. Dans quel milieu le son se propage-t-il jusqu'à leurs oreilles ?
  2. Citer trois milieux où le son se propage et un milieu où il ne se propage pas.

Exercice 3

Un microphone est relié à un ordinateur. Quand un diapason vibre devant lui, l'écran affiche une tension qui varie au cours du temps.

  1. Quelle grandeur le microphone mesure-t-il ?
  2. Cette tension représente-t-elle la pression atmosphérique totale ? Justifier.

Exercice 4

Dans un immeuble, un plombier frappe une conduite en acier au sous-sol. Au 4e étage, son collègue entend le choc en collant l'oreille contre la même conduite.

  1. Par quel milieu le son est-il arrivé jusqu'au collègue ?
  2. L'acier de la conduite s'est-il déplacé du sous-sol jusqu'au 4e étage ? Qu'est-ce qui s'est propagé ?

C2 — Déterminer célérité, période et longueur d'onde

Rappel de cours

Célérité : \(c = \dfrac{d}{t}\), avec \(d\) en m, \(t\) en s et \(c\) en m/s. Avec deux capteurs séparés de \(d\) : \(c = \dfrac{d}{\Delta t}\).

Ordres de grandeur à connaître : environ 340 m/s dans l'air (20 °C) et 1 500 m/s dans l'eau. Dans les solides, plusieurs milliers de m/s (acier : environ 5 000 m/s ; bois : 3 000 à 5 000 m/s selon l'essence), valeurs fournies au besoin.

Période et fréquence : \(T = \dfrac{1}{f}\). Longueur d'onde : \(\lambda = c \times T = \dfrac{c}{f}\), en m.

Domaine audible : environ 20 Hz à 20 000 Hz. En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons. La fréquence fixe la hauteur (grave ou aigu).

Exercice 5

Un agent de maintenance entend le bruit d'un compresseur situé à 85 m de lui. Combien de temps le son met-il pour lui parvenir ? Prendre \(c = 340\) m/s.

Exercice 6

Dans une piscine, deux capteurs immergés (hydrophones) sont placés à \(d = 6{,}0\) m l'un de l'autre. Un claquement arrive au second capteur \(\Delta t = 4{,}0\) ms après le premier.

  1. Calculer la célérité \(c\) du son dans l'eau.
  2. Comparer à l'ordre de grandeur dans l'air. Le son est-il plus rapide dans l'eau ou dans l'air ?

Exercice 7

Sur un stade, Inès frappe deux planchettes l'une contre l'autre en levant le bras. Yanis, à \(d = 170\) m, déclenche un chronomètre quand il voit le bras bouger et l'arrête quand il entend le claquement. Il lit \(t = 0{,}50\) s.

  1. Calculer la célérité du son obtenue.
  2. Pourquoi peut-on considérer que Yanis voit le geste au moment même où il a lieu ?
  3. Un temps de réaction vaut environ 0,2 s. Pourquoi cette mesure ne serait-elle pas possible à 10 m ?

Exercice 8

Un contrôleur à ultrasons vérifie l'épaisseur d'un panneau de chêne. Il mesure la durée d'un aller-retour de l'impulsion dans le panneau : \(t = 40\) μs. La célérité du son dans ce chêne est \(c = 4\,000\) m/s. Calculer l'épaisseur du panneau.

Exercice 9

Dans un atelier de maintenance, la lame à 60 dents d'une scie circulaire à métaux tourne à 2 800 tr/min. On modélise la fréquence principale du bruit par la fréquence de passage des dents. Calculer cette fréquence, puis la période du signal sonore.

Exercice 10

Un oscilloscope montre un signal sonore de période \(T = 0{,}025\) s. Calculer la fréquence correspondante. Ce son est-il grave ou aigu ?

Exercice 11

Compléter le tableau :

SonFréquence (Hz)Période (s)
Voix humaine grave100…
Sifflement aigu…\(5 \times 10^{-4}\)
Note La standard440…

Exercice 12

Associer chaque description à la perception qui lui correspond :

  • A — Fréquence élevée
  • B — Grande amplitude de la pression acoustique
  • C — Fréquence faible
  • D — Faible amplitude de la pression acoustique
  1. Son grave
  2. Son fort
  3. Son aigu
  4. Son faible

Exercice 13

La note La vaut \(f = 440\) Hz. La note Sol vaut \(f = 392\) Hz. Laquelle est la plus aiguë ? Justifier.

Exercice 14

Un capteur de distance à ultrasons émet à \(f = 40\,000\) Hz. Ce son est-il audible par l'oreille humaine ? Justifier.

Exercice 15

Calculer la longueur d'onde d'un son de 440 Hz dans l'air (\(c = 340\) m/s), puis dans une poutrelle en acier (\(c = 5\,000\) m/s).

Exercice 16

Calculer la longueur d'onde dans l'air (\(c = 340\) m/s) pour :

  1. un son grave de fréquence 100 Hz ;
  2. un son aigu de fréquence 4 000 Hz ;
  3. un ultrason de fréquence 40 kHz émis par un capteur de distance.

Exercice 17

Une scie circulaire émet un bruit de fréquence 2 500 Hz. Le son se propage dans l'air à 340 m/s et dans le bois de la pièce à 4 000 m/s.

  1. Calculer la période \(T\) du son.
  2. Calculer la longueur d'onde dans l'air, puis dans le bois, avec \(\lambda = c \times T\).
  3. Pourquoi la longueur d'onde est-elle plus grande dans le bois ?

C3 — Mesurer et interpréter un niveau sonore

Rappel de cours

L'intensité acoustique \(I\) (en W/m²) est la puissance transportée par l'onde par unité de surface. Le niveau d'intensité acoustique \(L\) s'exprime en décibels (dB). Relations fournies :

\(L = 10\log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)\) avec \(I_0 = 10^{-12}\) W/m²   ou   \(L = 20\log\left(\dfrac{p}{p_0}\right)\) avec \(p_0 = 2 \times 10^{-5}\) Pa.

  • Intensité multipliée par 10 : +10 dB ; multipliée par 2 : environ +3 dB. Les décibels ne s'additionnent pas.
  • Seuil de danger : vers 80 dB(A), un bruit qui dure abîme l'oreille. Le Code du travail fixe des actions de prévention à 80 et 85 dB(A) d'exposition moyenne sur 8 h, et une valeur limite de 87 dB(A), protecteurs portés.
  • Seuil de douleur : vers 120 dB.
  • Se protéger : réduire le bruit à la source, s'éloigner, limiter la durée, puis porter bouchons ou casque antibruit.

Exercice 18

Calculer le niveau d'intensité acoustique dans les deux situations suivantes, avec \(L = 10\log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)\) et \(I_0 = 10^{-12}\) W/m².

  1. Dans une bibliothèque : \(I = 10^{-8}\) W/m².
  2. Au bord d'une rue très fréquentée : \(I = 10^{-4}\) W/m².

Exercice 19

Sur un chantier, un sonomètre mesure la pression acoustique. Calculer le niveau correspondant avec \(L = 20\log\left(\dfrac{p}{p_0}\right)\) et \(p_0 = 2 \times 10^{-5}\) Pa.

  1. Dans le bungalow de chantier, pendant une discussion : \(p = 0{,}02\) Pa.
  2. Près d'un perforateur : \(p = 2\) Pa.

Exercice 20

Le niveau sonore mesuré près d'une machine passe de 70 dB à 90 dB quand on retire son capot.

  1. Par combien l'intensité acoustique a-t-elle été multipliée ?
  2. Un élève affirme que le bruit est « un peu plus fort, 20 dB sur 70 ». Que lui répondre ?

Exercice 21

Dans un atelier de menuiserie, on mesure 90 dB en un point près d'une ponceuse. On met en marche, au même endroit, une deuxième ponceuse identique et indépendante de la première. Quel est le nouveau niveau sonore en ce point ?

Exercice 22

Voici quatre situations. Pour chacune, dire si le niveau est sans danger, dangereux s'il dure, ou au-dessus du seuil de douleur. Proposer une protection quand c'est utile. L'échelle ci-dessous aide à se repérer.

SituationNiveau
Chuchotement dans une salle d'étude30 dB
Musique écoutée au casque85 dB
Devant les enceintes d'un concert105 dB
Près d'un moteur d'avion130 dB

Exercice 23

Pour réduire le bruit dans un atelier, un chef d'entreprise envisage trois actions. Les classer de la plus efficace à la moins efficace selon la démarche de prévention :

  1. Distribuer des bouchons antibruit aux opérateurs.
  2. Remplacer les machines bruyantes par des machines moins sonores.
  3. Installer des capots insonorisants sur les machines.

Exercice 24

L'exposition quotidienne au bruit d'un opérateur de scie circulaire est évaluée à \(L_{EX,8h} = 105\) dB(A), sans protection auditive. Situer cette valeur par rapport aux valeurs réglementaires et indiquer les mesures de prévention.

Exercice 25

Dans une entreprise du bâtiment, l'évaluation donne \(L_{EX,8h} = 92\) dB(A) pour un poste de découpe, sans protection. L'employeur affirme que le port des protecteurs auditifs est « facultatif ». A-t-il raison ? Citer les valeurs d'exposition utiles.

C4 — Mettre en évidence l'atténuation avec la distance

Rappel de cours

Un signal sonore transporte de l'énergie. En s'éloignant de la source, cette énergie se répartit sur une surface de plus en plus grande : le son s'atténue, même dans un milieu qui ne l'absorbe pas.

  • Pour une source ponctuelle en champ libre, \(I\) varie comme \(\dfrac{1}{d^2}\) : doubler la distance divise l'intensité par 4 et abaisse le niveau d'environ 6 dB.
  • Dans une salle, les réflexions, les obstacles et les autres sources modifient cette règle : on garde la valeur mesurée et on l'explique.
  • Pour comparer deux mesures : même source et même réglage, même hauteur et même orientation du sonomètre, fond sonore relevé. Une valeur ponctuelle ne donne pas l'exposition d'une journée.

Exercice 26

Sur un terrain de sport dégagé, une enceinte diffuse un son stable. Un élève mesure le niveau sonore à plusieurs distances.

Distance d (m)Niveau L (dB)
190
284
478
872
  1. Comment le niveau évolue-t-il quand on s'éloigne de l'enceinte ?
  2. De combien le niveau baisse-t-il chaque fois que la distance double ?

Exercice 27

Une source ponctuelle émet en champ libre, sans obstacle. L'intensité acoustique vaut \(I = 8 \times 10^{-4}\) W/m² à 1 m. Dans ce modèle, \(I\) varie comme \(\dfrac{1}{d^2}\).

  1. Calculer l'intensité à 2 m, puis à 4 m.
  2. À quelle distance l'intensité est-elle 100 fois plus faible qu'à 1 m ?

Exercice 28

Sur un chantier dégagé, un compresseur produit 100 dB à 1 m. On utilise le modèle de champ libre : −6 dB chaque fois que la distance double.

  1. Estimer le niveau à 2 m, 4 m, 8 m et 16 m.
  2. À partir de quelle distance de ce tableau le niveau passe-t-il sous 80 dB ?
  3. Cette valeur suffit-elle pour dire qu'un ouvrier travaillant à cette distance toute la journée n'est pas exposé ?

Exercice 29

En TP, un groupe veut montrer que le son s'atténue avec la distance. Voici sa façon de faire :

  • à 1 m, le haut-parleur est réglé sur le volume 5 et le sonomètre est tenu face au haut-parleur ;
  • à 2 m, le volume est monté sur 8 et le sonomètre est tenu tourné vers le plafond ;
  • pendant la mesure à 2 m, un autre groupe fait fonctionner une perceuse.

Relever trois erreurs et proposer un protocole correct.

Exercice 30

Dans une chaufferie aux murs en béton, une pompe produit 80 dB à 1 m et 77 dB à 2 m. Un technicien dit : « le modèle prévoit 74 dB à 2 m, je corrige ma mesure à 74 dB ».

  1. A-t-il raison de corriger sa mesure ? Pourquoi la baisse est-elle plus faible que prévu ?
  2. Même dans l'air libre, qui n'absorbe presque pas le son, le niveau baisse quand on s'éloigne. Expliquer pourquoi.

Pour aller plus loin — hors programme du groupement 3

Exposition quotidienne sur plusieurs phases

Ce calcul n'est pas au programme du groupement 3. Il est proposé en complément ; il n'est pas évalué.

Le niveau d'exposition quotidienne \(L_{EX,8h}\) est une moyenne énergétique ramenée à 8 heures. Il se calcule avec une relation logarithmique fournie, à partir des niveaux et des durées de chaque phase de travail.

Exercice 31

Un menuisier agenceur est exposé à 95 dB(A) pendant 4 heures et n'est pas exposé au bruit le reste de sa journée de 8 heures. Calculer son niveau d'exposition quotidienne avec \(L_{EX,8h} = L + 10\log\left(\dfrac{T}{8}\right)\), puis indiquer les mesures requises.

Exercice 32

Un apprenti menuisier utilise pendant 4 heures une scie circulaire à 105 dB(A), puis ponce pendant 3 heures à 88 dB(A). Il n'est pas exposé au bruit pendant la huitième heure et ne porte aucune protection. Calculer son niveau d'exposition quotidienne avec la relation fournie \(L_{EX,8h} = 10\log\left(\dfrac{T_1\,10^{L_1/10} + T_2\,10^{L_2/10}}{8}\right)\), les durées étant en heures.