Propagation d'un signal sonore | 1ère Bac Pro ERA-MA | Physique-Chimie
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 scie circulaire d'un menuisier tourne à 2 800 tr/min. Le bruit généré a une fréquence principale de 2 800 Hz (1 Hz pour chaque tr/min). Calculer la période de ce signal sonore.
\(T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{2\,800} \approx \mathbf{3{,}57 \times 10^{-4}}\) 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
Seuil réglementaire (8h/j)
EPI obligatoire au-delà
90–110
Machines de menuiserie
Danger — protections obligatoires
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
Le niveau sonore d'une scie circulaire est mesuré à 105 dB. Analyser le risque et indiquer les mesures de prévention.
105 dB est très dangereux pour l'ouïe. La réglementation impose :
- Seuil d'action : 85 dB → information et mise à disposition d'EPI.
- Seuil de valeur limite : 87 dB → interdiction de dépasser (avec protections).
À 105 dB, le port de protections auditives (bouchons anti-bruit ou casque anti-bruit) est obligatoire. Une exposition sans protection de quelques minutes peut provoquer des lésions auditives irréversibles.
Exercice 12
Dans un atelier de menuiserie, on mesure 90 dB près d'une ponceuse. On ajoute une deuxième ponceuse identique. Quel sera le nouveau niveau sonore ?
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 travaille dans un atelier à 95 dB pendant 4 heures. La réglementation limite l'exposition à 87 dB sur 8 heures. Doit-il porter des protections auditives ? Justifier.
Le niveau de 95 dB dépasse largement le seuil de 87 dB. Le port de protections auditives est obligatoire dès que le niveau dépasse 85 dB. Une exposition à 95 dB sans protection présente un risque sérieux de surdité professionnelle irréversible.
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 (105 dB) et pendant 3 heures, il ponce (88 dB). Il ne porte aucune protection. Identifier les risques.
105 dB (scie) : danger sévère dès 15 min d'exposition sans protection. Sur 4 h, le risque de surdité irréversible est très élevé.
88 dB (ponçage) : dépasse le seuil de 85 dB → port de protections obligatoire.
Sans EPI, l'apprenti est exposé à un risque de surdité professionnelle et à une infraction à la réglementation du travail (Code du Travail, articles L4121-1 et suivants).
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, ingénierie, 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
Un atelier de menuiserie est soumis à un contrôle de l'inspecteur du travail. Le sonomètre indique 92 dB en continu. L'employeur prétend que le port de protections auditives est « facultatif ». A-t-il raison ? Citer la valeur limite réglementaire.
Non. La réglementation française (Code du Travail, décret 2006-892) fixe :
- Seuil d'exposition inférieur : 80 dB → information des travailleurs, mise à disposition d'EPI.
- Seuil d'exposition supérieur : 85 dB → port des EPI obligatoire.
- Valeur limite d'exposition : 87 dB (avec protections).
À 92 dB, le port de protections auditives est obligatoire. L'employeur s'expose à des sanctions.
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 (contrôle non destructif du bois)
\(\lambda = \frac{340}{100} = \mathbf{3{,}4\ \text{m}}\) — 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.