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Chapitre 9 – Exercices par capacités

Caractéristiques d'un son  |  2nde Bac Pro  |  Physique-Chimie

Dernière mise à jour : 27 juillet 2026, 22:31

Capacités et connaissances du programme :

C1 — Identifier les caractéristiques d'un son

Rappel de cours

Un son est caractérisé par trois grandeurs :

  • La fréquence \(f\) (en Hz) : correspond à la hauteur du son (grave/aigu)
  • L'amplitude : correspond au niveau sonore (fort/faible), lié à l'intensité
  • Le timbre : permet de distinguer deux sons de même fréquence et même intensité (ex : même note jouée par un violon et une flûte)
T
Oscillogramme d'un son pur

Exercice 1

Un technicien acousticien étudie deux sons musicaux. Le son A a une fréquence de 440 Hz et le son B a une fréquence de 880 Hz. Les deux sons ont la même intensité.

  1. Lequel des deux sons est le plus aigu ? Justifier.
  2. Que doit-on comparer pour savoir lequel est le plus fort ?
  3. Comment appelle-t-on la caractéristique qui permet de distinguer une guitare d'un piano jouant la même note à la même intensité ?
  1. Le son B (880 Hz) est le plus aigu car sa fréquence est plus élevée. Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu.
  2. Pour comparer l'intensité (le volume sonore), on compare les amplitudes des signaux sur un oscillogramme.
  3. On appelle cette caractéristique le timbre. Il dépend de la forme du signal (contenu en harmoniques).

Exercice 2

Un installateur de systèmes audio règle une enceinte dans un atelier. Il observe sur un oscilloscope deux signaux : le signal A a une amplitude de 2 V et le signal B une amplitude de 0,5 V. Les deux signaux ont la même fréquence de 1 000 Hz.

  1. Quel signal correspond au son le plus fort ?
  2. Les deux sons ont-ils la même hauteur ? Justifier.
  1. Le signal A est le plus fort car son amplitude (2 V) est plus grande.
  2. Oui, les deux sons ont la même hauteur car ils ont la même fréquence (1 000 Hz).

Exercice 3

Associer chaque caractéristique à sa grandeur physique correspondante :

Caractéristique perçueGrandeur physique
Hauteur (grave / aigu) ?
Intensité (fort / faible) ?
Timbre (couleur sonore) ?
  • Hauteur → Fréquence \(f\) (en Hz)
  • Intensité → Amplitude du signal
  • Timbre → Forme du signal (contenu harmonique)

Exercice 4

Un menuisier utilise une scie circulaire qui émet un son très fort et aigu. Expliquer, en utilisant les termes scientifiques appropriés, ce que signifient « fort » et « aigu » pour ce son.

Fort signifie que le son a une grande amplitude : le niveau d'intensité sonore est élevé (en dB).

Aigu signifie que le son a une fréquence élevée : la lame tourne très vite et produit des vibrations à haute fréquence.

C2 — Calculer la période et la fréquence d'un signal sonore

Rappel de cours

La période \(T\) est la durée d'un motif qui se répète. Elle s'exprime en secondes (s).

La fréquence \(f\) est le nombre de fois que le motif se répète par seconde :

\[f = \frac{1}{T} \qquad \text{et} \qquad T = \frac{1}{f}\]

avec \(f\) en Hz et \(T\) en s.

Exercice 5

Un oscilloscope affiche un signal sonore. On mesure que la période est \(T = 5 \times 10^{-3}\ \text{s}\).

  1. Calculer la fréquence de ce son.
  2. Ce son est-il grave ou aigu ? Justifier.
  1. \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{5 \times 10^{-3}} = \mathbf{200\ \text{Hz}}\)
  2. 200 Hz est dans le bas du spectre audible. Ce son est relativement grave.

Exercice 6

Une alarme de chantier émet un son à \(f = 2\ 500\ \text{Hz}\). Calculer sa période.

\(T = \frac{1}{f} = \frac{1}{2\,500} = \mathbf{4{,}0 \times 10^{-4}\ \text{s}}\)

Exercice 7

Sur un oscillogramme affiché avec une échelle de temps de 2 ms/division, on compte que 4 divisions correspondent à une période complète.

  1. Calculer la période \(T\) en ms puis en s.
  2. Calculer la fréquence \(f\) correspondante.
  1. \(T = 4 \times 2 = 8\ \text{ms} = 8 \times 10^{-3}\ \text{s}\)
  2. \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{8 \times 10^{-3}} = \mathbf{125\ \text{Hz}}\)

Exercice 8

Le « la » de référence en musique a une fréquence de 440 Hz. La note suivante, une octave au-dessus, a une fréquence double.

  1. Calculer la période du « la » à 440 Hz.
  2. Calculer la fréquence de la note une octave au-dessus, puis sa période.
  1. \(T_1 = \frac{1}{440} \approx \mathbf{2{,}27 \times 10^{-3}\ \text{s}}\)
  2. \(f_2 = 2 \times 440 = 880\ \text{Hz}\), donc \(T_2 = \frac{1}{880} \approx \mathbf{1{,}14 \times 10^{-3}\ \text{s}}\)

C3 — Distinguer sons audibles, infrasons et ultrasons

À retenir

L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 kHz (20 000 Hz).

  • Infrasons : \(f < 20\ \text{Hz}\) — non perceptibles par l'oreille humaine
  • Sons audibles : \(20\ \text{Hz} \leq f \leq 20\ 000\ \text{Hz}\)
  • Ultrasons : \(f > 20\ 000\ \text{Hz}\) — non perceptibles par l'oreille humaine

Exercice 9

Classer les signaux suivants en « infrason », « son audible » ou « ultrason » :

  1. \(f = 10\ \text{Hz}\)
  2. \(f = 1\ 000\ \text{Hz}\)
  3. \(f = 40\ 000\ \text{Hz}\)
  4. \(f = 18\ \text{Hz}\)
  5. \(f = 20\ \text{kHz}\)
  1. 10 Hz : infrason (inférieur à 20 Hz)
  2. 1 000 Hz : son audible
  3. 40 000 Hz : ultrason (supérieur à 20 000 Hz)
  4. 18 Hz : infrason (inférieur à 20 Hz)
  5. 20 kHz = 20 000 Hz : limite supérieure du domaine audible (son audible, à la limite des ultrasons)

Exercice 10

Un technicien de maintenance utilise un détecteur de fuites à ultrasons fonctionnant à 40 kHz. Une chauve-souris perçoit les ultrasons jusqu'à 100 kHz.

  1. Convertir 40 kHz et 100 kHz en Hz.
  2. Ces fréquences sont-elles audibles pour un être humain ?
  3. Pourquoi utilise-t-on des ultrasons pour détecter des fuites ?
  1. \(40\ \text{kHz} = 40\,000\ \text{Hz}\) ; \(100\ \text{kHz} = 100\,000\ \text{Hz}\)
  2. Non, ces fréquences sont supérieures à 20 000 Hz : elles ne sont pas audibles par l'oreille humaine.
  3. Les ultrasons se propagent et peuvent traverser les parois ou être réfléchis par les défauts. Ils permettent de détecter des fuites sans interférence avec les bruits ambiants audibles.

Exercice 11

Des chercheurs étudient les infrasons émis par les séismes. Un tremblement de terre produit un signal de période \(T = 0{,}1\ \text{s}\).

  1. Calculer la fréquence de ce signal.
  2. S'agit-il d'un infrason ? Justifier.
  1. \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0{,}1} = \mathbf{10\ \text{Hz}}\)
  2. Oui, 10 Hz < 20 Hz : il s'agit bien d'un infrason, non perceptible par l'oreille humaine.

Exercice 12

Un médecin réalise une échographie en utilisant des ultrasons à \(f = 5\ \text{MHz}\). Justifier que cette fréquence est bien dans le domaine des ultrasons, et calculer la période correspondante.

\(f = 5\ \text{MHz} = 5 \times 10^6\ \text{Hz}\). Or \(5 \times 10^6 \gg 20\,000\ \text{Hz}\) : il s'agit bien d'un ultrason.

\(T = \frac{1}{f} = \frac{1}{5 \times 10^6} = \mathbf{2 \times 10^{-7}\ \text{s}}\)

C4 — Calculer une vitesse de propagation (\(v = d/t\))

Rappel de cours

La vitesse de propagation d'un son est la distance parcourue par le son par unité de temps :

\[v = \frac{d}{t}\]

avec \(d\) en mètres (m) et \(t\) en secondes (s), donc \(v\) en m/s.

Dans l'air à 20 °C, la vitesse du son est approximativement \(v \approx 340\ \text{m/s}\).

Exercice 13

Un technicien acousticien mesure le temps que met un signal sonore pour traverser un mur de 0,30 m. Il mesure \(t = 1{,}5 \times 10^{-4}\ \text{s}\). Calculer la vitesse du son dans ce matériau.

\(v = \frac{d}{t} = \frac{0{,}30}{1{,}5 \times 10^{-4}} = \mathbf{2\,000\ \text{m/s}}\)

Le son se propage plus vite dans les solides que dans l'air.

Exercice 14

On entend le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair. La vitesse du son dans l'air est \(v = 340\ \text{m/s}\). Calculer la distance à laquelle se trouve l'orage.

On isole \(d\) : \(d = v \times t = 340 \times 6 = \mathbf{2\,040\ \text{m}} \approx 2{,}0\ \text{km}\)

Exercice 15

Un sonar envoie une impulsion sonore qui revient après \(t = 0{,}60\ \text{s}\). La vitesse du son dans l'eau est \(v = 1\,500\ \text{m/s}\). Calculer la profondeur de l'obstacle détecté.

Le son fait un aller-retour, donc la distance réelle est la moitié :

Distance totale : \(d_{totale} = v \times t = 1\,500 \times 0{,}60 = 900\ \text{m}\)

Profondeur : \(d = \frac{900}{2} = \mathbf{450\ \text{m}}\)

Exercice 16

Un employé de maintenance vérifie l'isolation phonique d'une cloison en béton. Le son se propage dans le béton à \(v = 3\,400\ \text{m/s}\). Il mesure que le signal met \(t = 5{,}9 \times 10^{-5}\ \text{s}\) pour traverser la cloison. Calculer l'épaisseur de la cloison.

\(d = v \times t = 3\,400 \times 5{,}9 \times 10^{-5} = \mathbf{0{,}20\ \text{m} = 20\ \text{cm}}\)

Remarque : la vitesse du son dans un solide (béton, bois, acier) est bien plus élevée que dans l'air (340 m/s). Dans le béton : ~3 400 m/s ; dans l'acier : ~5 000 m/s.

C5 — Lire et exploiter un oscillogramme sonore

Rappel de cours

Un oscillogramme est la représentation graphique de l'amplitude d'un signal sonore en fonction du temps. Il permet de lire :

  • La période \(T\) : durée d'un motif complet (en s)
  • L'amplitude : valeur maximale du signal (en V sur l'oscilloscope)
  • La fréquence : calculée par \(f = 1/T\)

L'échelle de l'axe des temps (sensibilité temporelle) est en ms/div ou µs/div.

Exercice 17

Un oscillogramme est affiché avec une sensibilité de 5 ms/division. On observe que la période correspond à 3 divisions.

  1. Calculer la période \(T\) en ms puis en s.
  2. En déduire la fréquence \(f\) du son.
  3. Ce son est-il audible pour l'oreille humaine ?
  1. \(T = 3 \times 5 = 15\ \text{ms} = 15 \times 10^{-3}\ \text{s}\)
  2. \(f = \frac{1}{T} = \frac{1}{15 \times 10^{-3}} \approx \mathbf{67\ \text{Hz}}\)
  3. 67 Hz est compris entre 20 Hz et 20 000 Hz : le son est audible.

Exercice 18

On enregistre deux sons A et B sur un oscillogramme avec la même échelle de temps.

  • Son A : période mesurée = 2 ms, amplitude = 3 V
  • Son B : période mesurée = 6 ms, amplitude = 1 V
  1. Calculer la fréquence de chaque son.
  2. Lequel est le plus aigu ? Lequel est le plus fort ?
  1. \(f_A = \frac{1}{2 \times 10^{-3}} = 500\ \text{Hz}\) ; \(f_B = \frac{1}{6 \times 10^{-3}} \approx 167\ \text{Hz}\)
  2. Le son A est le plus aigu (fréquence plus élevée). Le son A est aussi le plus fort (amplitude 3 V contre 1 V).

Exercice 19

Un technicien acousticien affiche un signal sonore avec une sensibilité de 1 ms/division. Il lit les informations suivantes sur l'oscillogramme : une période s'étend sur 4 divisions et l'amplitude maximale est de 2,5 V.

  1. Déterminer la période et la fréquence du signal.
  2. À quelle hauteur de son correspond cette fréquence (grave, médium ou aigu) ?
  1. \(T = 4 \times 1 = 4\ \text{ms} = 4 \times 10^{-3}\ \text{s}\) ; \(f = \frac{1}{4 \times 10^{-3}} = \mathbf{250\ \text{Hz}}\)
  2. 250 Hz se situe dans le registre grave à médium (voix humaine grave).

C6 — Niveau d'intensité acoustique en décibels et prévention du risque

À retenir

Le niveau d'intensité acoustique se mesure en décibels avec un sonomètre. Pour le bruit au travail, le risque dépend du niveau et de la durée ; \(L_{EX,8h}\) représente l’exposition quotidienne moyenne ramenée à 8 heures.
— 0 dB : seuil d'audibilité
— 60 dB : conversation normale
— 80 dB(A) : première valeur d’action pour \(L_{EX,8h}\)
— 85 dB(A) : valeur d’action supérieure pour \(L_{EX,8h}\)
— 87 dB(A) : valeur limite pour \(L_{EX,8h}\), en tenant compte des protecteurs
— 120 dB : ordre de grandeur du seuil de douleur.

Niveaux sonores indicatifs 0 60 80 100 120 140 dB conversation scie douleur Exposition quotidienne LEX,8h 80 dB(A)première action 85 dB(A)action supérieure 87 dB(A)limite avec PICB
Un niveau instantané ne suffit pas : l’évaluation réglementaire tient compte de la durée d’exposition.

Exercice 20

Un menuisier utilise différents outils dans son atelier. Voici les niveaux sonores mesurés :

OutilPonceuse à bandeScie circulaireDéfonceuseConversation
Niveau (dB)921059860
  1. Quels outils produisent les niveaux les plus élevés et doivent être traités en priorité dans l’évaluation du risque ?
  2. Citer deux mesures collectives à privilégier, puis un protecteur individuel possible.
  3. Un outil atteint-il le seuil de douleur (120 dB) ?
  4. Classer les sons du plus faible au plus fort.
  1. La scie circulaire (105 dB), la défonceuse (98 dB) et la ponceuse (92 dB) sont prioritaires. La durée d’utilisation de chaque outil est nécessaire pour calculer l’exposition quotidienne.
  2. Par exemple : choisir une machine moins bruyante, encoffrer ou éloigner la source, limiter la durée et l’accès ; compléter si nécessaire par un casque antibruit ou des bouchons adaptés.
  3. Non, aucun n'atteint 120 dB. Un niveau de 105 dB reste toutefois très élevé et impose une réduction de l’exposition.
  4. Conversation (60) < Ponceuse (92) < Défonceuse (98) < Scie circulaire (105).

Exercice 21

La réglementation raisonne avec l’exposition quotidienne \(L_{EX,8h}\) : première valeur d’action à 80 dB(A), valeur supérieure à 85 dB(A) et valeur limite à 87 dB(A) en tenant compte des protecteurs. Le niveau et la durée doivent être combinés.

  1. Un ouvrier utilise une meuleuse à 95 dB(A) pendant 2 heures. Quelles données faut-il encore connaître pour évaluer sa journée complète ?
  2. Un apprenti utilise une perceuse à 88 dB(A) pendant 7 heures. Quelles valeurs réglementaires sont susceptibles d’être dépassées ?
  3. Pourquoi la durée d’exposition doit-elle diminuer quand le niveau sonore augmente ?
  1. Il faut connaître les autres expositions de la journée, les pauses, les niveaux de crête et les conditions de mesure. Le niveau de 95 dB(A) pendant 2 heures indique déjà une exposition importante qui doit être réduite et évaluée.
  2. Une exposition proche de 88 dB(A) pendant presque toute la journée dépasse les valeurs d’action de 80 et 85 dB(A) et peut dépasser la valeur limite de 87 dB(A). La conformité doit être établie à partir de \(L_{EX,8h}\) et, pour la limite, de l’atténuation réelle des protecteurs.
  3. Car l'énergie sonore reçue par l'oreille augmente avec le niveau et s’accumule avec la durée. Plus le son est fort, plus rapidement une même dose sonore est atteinte.

Exercice 22

Lors d'un contrôle dans un atelier de menuiserie, un sonomètre mesure les niveaux suivants :

ZoneBureauZone d'assemblageZone de débitZone de finition
Niveau (dB)557810288
  1. Quelles zones doivent être évaluées et traitées en priorité ? Peut-on décider du port obligatoire à partir de ces seules mesures ?
  2. Le responsable souhaite installer un isolant phonique autour de la zone de débit. Quel effet espère-t-il sur le niveau sonore dans les zones voisines ?
  1. La zone de débit (102 dB) et la zone de finition (88 dB) sont prioritaires. Ces niveaux seuls ne donnent pas \(L_{EX,8h}\) : il faut ajouter les durées, les déplacements et les niveaux de crête avant de fixer les mesures obligatoires.
  2. L'isolant phonique absorbe une partie de l'énergie sonore et réduit le niveau dans les zones voisines. C'est une mesure de protection collective ; l’objectif est de réduire l’exposition au niveau le plus bas possible.