Propagation d'un signal sonore | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
Dernière mise à jour : 30 juin 2026
Capacités et connaissances du programme :
C1 — Caractériser un signal sonore (fréquence, période, amplitude)
C2 — Calculer période et fréquence (\(T = 1/f\))
C3 — Calculer la vitesse de propagation du son \(v = d/t\)
C4 — Interpréter un niveau sonore en dB et évaluer les risques auditifs
C5 — Appliquer dans un contexte d'atelier bois (bruit des machines)
C6 — Exploiter la relation \(\lambda = c \times T\) (longueur d'onde sonore)
C1 — Caractériser un signal sonore
Rappel de cours
Un signal sonore est une onde mécanique (nécessite un milieu matériel pour se propager). Ses caractéristiques :
Fréquence \(f\) (en Hz) : nombre d'oscillations par seconde. Détermine la hauteur du son (grave ↔ aigu). Audible : 20 Hz à 20 000 Hz.
Période \(T\) (en s) : durée d'un cycle. \(T = 1/f\)
Amplitude : valeur maximale de la perturbation. Détermine l'intensité du son (fort ↔ faible).
Exercice 1
Associer chaque caractéristique à ce qu'elle détermine pour le son :
A — Fréquence élevée
B — Amplitude forte
C — Fréquence faible
D — Amplitude faible
Son grave
Son fort
Son aigu
Son faible
A → c (son aigu) ; B → b (son fort) ; C → a (son grave) ; D → d (son faible)
Exercice 2
La note La est \(f = 440\) Hz. La note Sol est \(f = 392\) Hz. Laquelle est plus aiguë ? Justifier.
Le La (440 Hz) est plus aigu car il a une fréquence plus élevée (440 > 392 Hz).
Exercice 3
Un sonar industriel émet des ultrasons à \(f = 40\,000\) Hz. Ce son est-il audible par l'oreille humaine ? Justifier.
L'oreille humaine perçoit les sons entre 20 Hz et 20 000 Hz. 40 000 Hz > 20 000 Hz : ce son est un ultrason, non audible par l'homme. Il est utilisé pour des mesures de distance ou des détections sans contact.
C2 — Calculer période et fréquence
Rappel de cours
\(T = \dfrac{1}{f}\) et \(f = \dfrac{1}{T}\)
\(T\) en secondes (s)
\(f\) en hertz (Hz = s⁻¹)
Exercice 4
La lame à 60 dents d'une scie circulaire 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.
Fréquence de rotation : \(2\,800/60 \approx 46{,}7\) tr/s.
Fréquence de passage des 60 dents : \(f = 60 \times 46{,}7 = \mathbf{2\,800}\) Hz.
\(T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{2\,800} \approx \mathbf{3{,}57 \times 10^{-4}}\) s = 0,357 ms.
Exercice 5
Un oscilloscope montre un signal sonore de période \(T = 0{,}025\) s. Calculer la fréquence correspondante. Ce son est-il grave ou aigu ?
\(f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}025} = \mathbf{40}\) Hz
40 Hz est dans les graves (proche du seuil inférieur d'audition de 20 Hz) : son très grave.
Exercice 6
Compléter le tableau :
Son
Fréquence (Hz)
Période (s)
Voix humaine grave
100
…
Sifflement aigu
…
\(5 \times 10^{-4}\)
Note La standard
440
…
Son
Fréquence (Hz)
Période (s)
Voix grave
100
\(T = 1/100 = \mathbf{0{,}01}\) s
Sifflement aigu
\(f = 1/(5\times10^{-4}) = \mathbf{2\,000}\) Hz
\(5 \times 10^{-4}\)
Note La
440
\(T = 1/440 \approx \mathbf{2{,}27 \times 10^{-3}}\) s
C3 — Calculer la vitesse de propagation du son
Rappel de cours
Le son se propage à une vitesse qui dépend du milieu :
Air (20°C) : \(v \approx 340\) m/s
Eau : \(v \approx 1\,500\) m/s
Bois (selon l'essence) : \(v \approx 3\,000-5\,000\) m/s
Acier : \(v \approx 5\,100\) m/s
Formule : \(v = \dfrac{d}{t}\) → \(d = v \times t\) → \(t = \dfrac{d}{v}\)
Exercice 7
Un menuisier entend le bruit d'une scie provenant d'un autre atelier situé à 85 m. Combien de temps met le son pour parvenir à ses oreilles ? (\(v = 340\) m/s)
\(t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{85}{340} = \mathbf{0{,}25}\) s = 250 ms
Exercice 8
Un contrôleur ultrasonique vérifie l'épaisseur d'un panneau de chêne en mesurant le temps de parcours aller-retour d'une impulsion ultrasonique : \(t = 40\) μs. La vitesse du son dans le chêne est \(v = 4\,000\) m/s. Calculer l'épaisseur du panneau.
Distance aller-retour : \(d = v \times t = 4\,000 \times 40 \times 10^{-6} = 0{,}16\) m
Épaisseur = aller seulement : \(e = 0{,}16 / 2 = \mathbf{0{,}08}\) m = 80 mm
Exercice 9
Un technicien d'agencement frappe sur une cloison en bois à 6 m de distance. Un collaborateur perçoit le son \(t = 0{,}15\) s après la frappe. Calculer la vitesse apparente de propagation. Comparer à 340 m/s et expliquer la différence.
\(v = d/t = 6/0{,}15 = 40\) m/s
Cette vitesse est bien inférieure à 340 m/s car la valeur de 0,15 s inclut probablement un temps de réaction du collaborateur. La vitesse réelle du son dans l'air est bien 340 m/s.
Exercice 10
La relation entre longueur d'onde, vitesse et fréquence est \(\lambda = v/f\). Calculer la longueur d'onde d'un son à 440 Hz dans l'air (\(v = 340\) m/s), puis dans le bois (\(v = 4\,000\) m/s).
Dans l'air : \(\lambda = 340 / 440 \approx \mathbf{0{,}77}\) m
Dans le bois : \(\lambda = 4\,000 / 440 \approx \mathbf{9{,}1}\) m
La longueur d'onde est plus grande dans le bois (même fréquence, vitesse plus élevée).
C4 — Interpréter un niveau sonore en dB et évaluer les risques auditifs
Rappel de cours
Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) à l'aide d'un sonomètre. L'échelle est logarithmique.
Niveau (dB)
Source
Risque
0
Seuil d'audition
Aucun
30–50
Conversation calme
Aucun
80
Trafic urbain intense
Risque si exposition prolongée
85
Valeur d'exposition supérieure sur 8 h
Programme de réduction et protecteurs auditifs effectivement portés
90–110
Machines de menuiserie
Risque élevé selon le niveau et la durée d'exposition
120
Seuil de douleur
Danger immédiat
140+
Explosion, avion
Lésion irréversible immédiate
Propriété clé : augmenter de +3 dB = doubler l'intensité sonore. Augmenter de +10 dB = multiplier par 10.
Exercice 11
L'exposition quotidienne au bruit d'un opérateur de scie circulaire est évaluée à \(L_{EX,8h} = 105\) dB(A), avant prise en compte de l'atténuation d'un protecteur auditif. Analyser le risque et indiquer les mesures de prévention.
\(105\) dB(A) est très supérieur aux trois valeurs réglementaires : valeur d'exposition inférieure \(80\) dB(A), valeur supérieure \(85\) dB(A), et valeur limite \(87\) dB(A) après prise en compte de l'atténuation des protecteurs.
Il faut d'abord réduire l'exposition à la source et par des mesures collectives : machine moins bruyante, capotage, éloignement et réduction de la durée. Des protecteurs auditifs adaptés doivent être effectivement portés, et l'exposition résiduelle sous protecteur doit rester sous la valeur limite de 87 dB(A).
Exercice 12
Dans un atelier de menuiserie, on mesure 90 dB en un point près d'une ponceuse. On ajoute au même emplacement une deuxième ponceuse identique, indépendante et non corrélée à la première. Quel sera le nouveau niveau sonore en ce point ?
Pour deux sources identiques, indépendantes et non corrélées reçues au même point, les intensités s'ajoutent : doubler l'intensité sonore augmente le niveau de +3 dB.
Nouveau niveau : \(90 + 3 = \mathbf{93}\) dB.
Les dB ne s'additionnent pas directement (90 + 90 ≠ 180 dB !).
Exercice 13
Un menuisier agenceur est exposé à 95 dB(A) pendant 4 heures et n'est pas exposé au bruit le reste de la journée de 8 heures. Calculer son niveau d'exposition quotidienne \(L_{EX,8h}\), puis déterminer les mesures requises.
\(L_{EX,8h} = 95 + 10\log_{10}\left(\dfrac{4}{8}\right) \approx \mathbf{92}\) dB(A).
Cette exposition dépasse la valeur supérieure de 85 dB(A) : un programme de réduction technique et organisationnelle est requis et les protecteurs auditifs mis à disposition doivent être effectivement portés. Après prise en compte de leur atténuation, l'exposition ne doit pas dépasser la valeur limite de 87 dB(A).
C5 — Applications en atelier bois : bruit des machines
Niveaux sonores typiques en atelier de menuiserie
Machine
Niveau sonore (dB)
Scie circulaire à lame
95 – 110
Dégauchisseuse / rabot
90 – 100
Ponceuse à bande
85 – 95
Cloueur pneumatique
100 – 110
Aspiration copeaux
80 – 90
Exercice 14
Un apprenti menuisier travaille 7 heures dans un atelier. Pendant 4 heures, il utilise la scie circulaire à 105 dB(A) et pendant 3 heures, il ponce 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 \(L_{EX,8h}\) et identifier les mesures de prévention nécessaires.
\(L_{EX,8h} = 10\log_{10}\left(\dfrac{4\times10^{105/10}+3\times10^{88/10}}{8}\right) \approx \mathbf{102}\) dB(A).
Les contributions énergétiques s'additionnent : on ne moyenne pas directement les décibels. L'exposition est très supérieure à la valeur supérieure de 85 dB(A). Il faut réduire le bruit à la source et par des mesures collectives, limiter la durée d'exposition et faire porter des protecteurs auditifs adaptés. Après leur atténuation, l'exposition doit rester sous la valeur limite de 87 dB(A).
Exercice 15
Pour réduire le bruit dans un atelier, un fabricant de meubles envisage trois actions. Classer-les de la plus efficace à la moins efficace selon la démarche de prévention collective :
Distribuer des bouchons anti-bruit aux opérateurs.
Remplacer les scies bruyantes par des machines moins sonores.
Installer des capots insonorisants sur les machines.
Selon la hiérarchie des mesures de prévention (principe STOP : Substitution, mesures Techniques, Organisation, Protection individuelle) :
b — Remplacer les machines bruyantes : action à la source, la plus efficace (suppression du risque).
c — Capots insonorisants : réduction à la source, collective (isolation).
a — Bouchons anti-bruit : protection individuelle, dernière ligne de défense, moins fiable (dépend du port effectif).
Exercice 16
Dans un atelier de menuiserie, l'évaluation donne \(L_{EX,8h} = 92\) dB(A), avant prise en compte de l'atténuation des protecteurs auditifs. L'employeur prétend que leur port est « facultatif ». A-t-il raison ? Citer les valeurs d'exposition pertinentes.
Non. La réglementation fixe une valeur d'exposition inférieure de 80 dB(A), une valeur supérieure de 85 dB(A) et une valeur limite de 87 dB(A), cette dernière étant appréciée après prise en compte de l'atténuation des protecteurs.
À 92 dB(A), il faut réduire l'exposition par des mesures techniques et organisationnelles ; les protecteurs mis à disposition doivent être effectivement portés. L'exposition résiduelle sous protecteur doit rester inférieure à 87 dB(A).
La longueur d'onde \(\lambda\) (en m) est la distance parcourue par le son pendant une période :\[\lambda = c \times T = \frac{c}{f}\]avec \(c\) la vitesse du son (340 m/s dans l'air) et \(f\) la fréquence (en Hz).
Plus la fréquence est élevée (aigu), plus la longueur d'onde est courte.
Exercice 17
Calculer la longueur d'onde dans l'air (\(c = 340\) m/s) pour :
Un son grave de fréquence 100 Hz
Un son aigu de fréquence 4 000 Hz
Un ultrason de fréquence 40 kHz émis par un capteur de distance dans l'air
\(\lambda = \frac{340}{100} = \mathbf{3{,}4\ \text{m}}\) — comparable à la taille d'une pièce
La fréquence ne change pas en changeant de milieu, mais la vitesse augmente (4 000 vs 340 m/s). Comme \(\lambda = c/f\), une vitesse plus grande donne une longueur d'onde plus grande.