PC2 - Chapitre 9

Caractéristiques d'un son

Exercices – 2nde Bac Pro | Fréquence, célérité, longueur d'onde, niveau sonore

Dernière mise à jour : 8 août 2026, 08:30

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Rappel des formules clés :
Célérité du son : \( v = 340 \text{ m/s} \) (dans l'air à 20°C)  |  Longueur d'onde : \( \lambda = \dfrac{v}{f} \)  |  Distance : \( d = v \times t \)  |  Domaines : infra < 20 Hz ; audible 20–20 000 Hz ; ultra > 20 000 Hz

Exercices guidés pas à pas

Exercice 1-1 Hauteur et fréquence – Grave ou aigu ? Socle
Oscillogramme sonore
Rappel Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. Plus elle est basse, plus le son est grave.

a) Classer les sons suivants du plus grave au plus aigu : 1 000 Hz, 80 Hz, 18 000 Hz, 250 Hz.

b) Pour chaque fréquence, indiquer si le son est dans le domaine infrason, audible ou ultrason :

SonFréquenceDomaineGrave / Aigu
Battement de cœur fœtal2 Hz?
Vibration d'une scie à ruban80 Hz??
Voix humaine250 Hz??
Sifflet à ultrasons25 000 Hz?

a) Du plus grave au plus aigu : 80 Hz → 250 Hz → 1 000 Hz → 18 000 Hz.

b)
– Battement de cœur (2 Hz) : infrason (non audible).
– Scie à ruban (80 Hz) : audible – son grave.
– Voix humaine (250 Hz) : audible – son grave à médium.
– Sifflet à ultrasons (25 000 Hz) : ultrason (inaudible pour l'homme).

Exercice 1-2 Célérité et distance – Tonnerre et sonar Socle
Formule : \( d = v \times t \) avec v = 340 m/s dans l'air ; \( d = \dfrac{v \times t}{2} \) pour un aller-retour (écho).

a) Un orage : on voit l'éclair puis on entend le tonnerre 3 secondes plus tard. Quelle est la distance de l'orage ?

b) Un sonar envoie une impulsion et reçoit l'écho du fond marin après t = 0,6 s. La célérité du son dans l'eau est v = 1 500 m/s. Quelle est la profondeur ?

Représentation d'une onde sonore t (s) y T (période) Amplitude Sur un enregistrement en fonction du temps, on lit la période T ; la longueur d'onde λ = v × T est une distance, elle ne se lit pas sur cet axe.

a) \( d = v \times t = 340 \times 3 = \mathbf{1020 \text{ m} \approx 1 \text{ km}} \) de l'orage.

b) Le son fait un aller-retour → \( d = \dfrac{v \times t}{2} = \dfrac{1500 \times 0{,}6}{2} = \dfrac{900}{2} = \mathbf{450 \text{ m}} \) de profondeur.

Exercice 1-3 Domaines de fréquences et applications Socle
Oscillogramme sonore

Compléter le tableau en associant chaque application à son domaine fréquentiel :

ApplicationFréquence typiqueDomaineContexte
Détection défauts bois par ultrasons (CND)2 MHz?Industrie / Atelier
Echolocation chauve-souris50 000 Hz?Nature
Vibration d'un compresseur d'atelier au ralenti25 Hz?Atelier
Alarme sonore atelier1 000 Hz?Sécurité
Infrasons séismes0,5 Hz?Géophysique

– CND (2 MHz = 2 000 000 Hz) : ultrason.
– Chauve-souris (50 000 Hz) : ultrason.
– Compresseur d'atelier (25 Hz) : audible (juste au-dessus de 20 Hz) – son très grave perçu comme une vibration.
– Alarme (1 000 Hz) : audible – fréquence à laquelle l'oreille est très sensible.
– Infrasons séismes (0,5 Hz) : infrason – non perçu auditivement mais ressenti physiquement.

Exercice 1-4 Longueur d'onde – calcul guidé étape par étape Socle
Formule donnée : \( \lambda = \dfrac{v}{f} \)
\( v \) = célérité du son (m/s)  |  \( f \) = fréquence (Hz)  |  \( \lambda \) = longueur d'onde (m)
Méthode
Étape 1 : Identifier les données (v et f).
Étape 2 : Appliquer \( \lambda = v / f \).
Étape 3 : Calculer et donner l'unité.

Exemple guidé : f = 440 Hz, v = 340 m/s (air).
\( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{440} = \) ......... m

À toi – a) Une alarme d'atelier émet un son à f = 1 000 Hz dans l'air (v = 340 m/s).
Étape 1 : v = ......... m/s ; f = ......... Hz
Étape 2 : \( \lambda = \dfrac{340}{...} = \) ......... m

b) Un compresseur vibre à f = 50 Hz dans l'air (v = 340 m/s).
\( \lambda = \dfrac{340}{...} = \) ......... m

Exemple : \( \lambda = 340/440 \approx 0{,}77\,\text{m} \)

a) \( \lambda = 340/1\,000 = \mathbf{0{,}34\,\text{m} = 34\,\text{cm}} \)

b) \( \lambda = 340/50 = \mathbf{6{,}8\,\text{m}} \) (très grande longueur d'onde pour un son très grave)

Exercice 1-5 Niveau sonore en atelier – tableau à compléter Socle
Oscillogramme sonore
Règle :
Niveau > 85 dB → port des protections auditives obligatoire.
Atténuation des bouchons : niveau reçu = niveau source − atténuation (dB).

Compléter le tableau pour l'atelier de menuiserie :

OutilNiveau (dB)EPI obligatoires ?Niveau reçu avec bouchons (−28 dB)
Conversation normale60………………… dB
Scie circulaire100………………… dB
Meuleuse110………………… dB
Dégauchisseuse95………………… dB

Question : Avec des bouchons atténuant de 28 dB, le niveau reçu sous la meuleuse (110 dB) est-il conforme (inférieur à 87 dB) ?

Conversation (60 dB) : pas d'EPI, niveau reçu = 32 dB.
Scie circulaire (100 dB) : EPI obligatoires, niveau reçu = 72 dB ✓
Meuleuse (110 dB) : EPI obligatoires, niveau reçu = 82 dB ✓ (conforme < 87 dB)
Dégauchisseuse (95 dB) : EPI obligatoires, niveau reçu = 67 dB ✓

Oui, 110 − 28 = 82 dB < 87 dB → conforme.

Exercice 1-6 Distance et écho – calcul guidé Socle
Formule : Pour un aller-retour : \( d = \dfrac{v \times t}{2} \) avec v = 340 m/s

Un capteur de stationnement à ultrasons (placé à l'arrière d'une voiture) émet une impulsion vers un obstacle. L'écho revient après t = 0,002 s. Le son se propage dans l'air à v = 340 m/s.

Étape 1 : v = ......... m/s ; t = ......... s
Étape 2 : \( d = \dfrac{340 \times ...}{2} = \dfrac{...}{2} = \) ......... m

\( d = \dfrac{340 \times 0{,}002}{2} = \dfrac{0{,}68}{2} = \mathbf{0{,}34\,\text{m} = 34\,\text{cm}} \)

L'obstacle (mur, poteau, voiture) se trouve à 34 cm du capteur — le système peut déclencher une alarme de proximité.

Exercice 1-7 Grave ou aigu ? – Classer des sons du quotidien Socle
Oscillogramme sonore
Rappel : Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu. Sons audibles : de 20 Hz à 20 000 Hz.

Classer les sons suivants du plus grave au plus aigu :

SonFréquence
Ronronnement d'un chat25 Hz
Note de guitare (corde grave)82 Hz
Sonnerie de téléphone1 500 Hz
Sifflement d'une bouilloire4 000 Hz

Recopier les sons dans l'ordre du plus grave au plus aigu.

Du plus grave au plus aigu :
1. Ronronnement du chat (25 Hz) – très grave
2. Guitare corde grave (82 Hz) – grave
3. Sonnerie de téléphone (1 500 Hz) – médium
4. Sifflement de bouilloire (4 000 Hz) – aigu

Exercice 1-8 Vitesse du son – Calcul de distance guidé Socle
Oscillogramme sonore
Formule donnée : \( d = v \times t \) avec \( v = 340 \text{ m/s} \) dans l'air.
Méthode
Étape 1 : Repérer v et t.
Étape 2 : Calculer \( d = v \times t \).
Étape 3 : Donner le résultat en mètres puis en kilomètres si besoin.

Lors d'un feu d'artifice, tu vois la fusée exploser puis tu entends le bruit 2,5 secondes plus tard.

Étape 1 : v = ......... m/s ; t = ......... s
Étape 2 : \( d = 340 \times ... = \) ......... m
Étape 3 : Convertir en km : d = ......... km

Étape 1 : v = 340 m/s ; t = 2,5 s
Étape 2 : \( d = 340 \times 2{,}5 = \mathbf{850 \text{ m}} \)
Étape 3 : \( d = 850 \text{ m} = \mathbf{0{,}85 \text{ km}} \)

Exercice 1-9 Vrai ou faux – Propagation du son Socle

Indiquer si chaque affirmation est vraie ou fausse. Corriger les affirmations fausses.

  1. Le son peut se propager dans le vide.
  2. Le son se propage plus vite dans l'acier que dans l'air.
  3. La fréquence du son change quand il passe de l'air à l'eau.
  4. Un son de 10 Hz est un ultrason.
  5. Un niveau de 85 dB constitue à lui seul un seuil universel séparant toute situation sûre de toute situation dangereuse.
  1. FAUX – Le son a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gaz). Il ne se propage pas dans le vide.
  2. VRAI – Le son va à environ 5 000 m/s dans l'acier contre 340 m/s dans l'air.
  3. FAUX – La fréquence ne change pas quand le son change de milieu. C'est la longueur d'onde et la célérité qui changent.
  4. FAUX – 10 Hz < 20 Hz, c'est un infrason.
  5. FAUX – Le risque auditif dépend du niveau, de la durée et de la répétition de l'exposition. En milieu professionnel, 85 dB(A) est une valeur d'action supérieure pour l'exposition quotidienne LEX,8h, pas un seuil universel instantané.
Exercice 1-10 Protections auditives – Choisir le bon EPI Socle
Règle : Niveau reçu = Niveau source − Atténuation de l'EPI.
Le niveau reçu doit rester inférieur à 87 dB.

Un artisan menuisier utilise une scie circulaire qui produit 102 dB. Il dispose de deux protections :

a) Calculer le niveau reçu avec les bouchons mousse :
Niveau reçu = 102 − ... = ......... dB

b) Calculer le niveau reçu avec le casque anti-bruit :
Niveau reçu = 102 − ... = ......... dB

c) Quel EPI est suffisant pour respecter la limite de 87 dB ? Lequel est le plus confortable ?

a) Niveau reçu = 102 − 22 = 80 dB → inférieur à 87 dB → conforme.

b) Niveau reçu = 102 − 30 = 72 dB → inférieur à 87 dB → conforme.

c) Les deux EPI sont suffisants. Le casque offre une meilleure protection (72 dB au lieu de 80 dB), ce qui est plus confortable pour un usage prolongé. Les bouchons restent toutefois conformes.

Exercice 1-11 Longueur d'onde – Comparer deux sons Socle
Formule donnée : \( \lambda = \dfrac{v}{f} \) avec \( v = 340 \text{ m/s} \) dans l'air.

On considère deux sons dans l'air :

a) Calculer \( \lambda_A \) : \( \lambda_A = \dfrac{340}{...} = \) ......... m

b) Calculer \( \lambda_B \) : \( \lambda_B = \dfrac{340}{...} = \) ......... m

c) Lequel a la plus grande longueur d'onde ? Est-ce le son le plus grave ou le plus aigu ?

a) \( \lambda_A = \dfrac{340}{170} = \mathbf{2 \text{ m}} \)

b) \( \lambda_B = \dfrac{340}{3\,400} = \mathbf{0{,}1 \text{ m} = 10 \text{ cm}} \)

c) Le son A a la plus grande longueur d'onde (2 m contre 0,1 m). C'est le son le plus grave (fréquence la plus basse). Plus un son est grave, plus sa longueur d'onde est grande.

Exercice 1-12 Retrouver une durée – Calcul guidé Socle
Formule : \( d = v \times t \) donc \( t = \dfrac{d}{v} \)
Méthode
Étape 1 : Repérer d et v.
Étape 2 : Calculer \( t = d / v \).
Étape 3 : Donner le résultat en secondes.

Un stade de football se trouve à 680 m de chez toi. Le son d'un but retentit (v = 340 m/s).

Combien de temps met le son pour arriver chez toi ?
\( t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{680}{...} = \) ......... s

\( t = \dfrac{d}{v} = \dfrac{680}{340} = \mathbf{2 \text{ s}} \)

Le son du but met 2 secondes pour arriver chez toi.

Exercice 1-13 Relier caractéristiques et grandeurs Socle

Relier chaque caractéristique du son à la grandeur physique correspondante :

Caractéristique perçueGrandeur physique
Le son est grave ou aiguA. Niveau sonore (dB)
Le son est fort ou faibleB. Fréquence (Hz)
On reconnaît l'instrumentC. Timbre

– Le son est grave ou aigu → B. Fréquence (Hz) (la hauteur dépend de la fréquence).
– Le son est fort ou faible → A. Niveau sonore (dB) (l'intensité sonore).
– On reconnaît l'instrument → C. Timbre (forme de l'onde, harmoniques).

Exercice 1-14 Lire un oscillogramme pas à pas — la sonnerie du four Socle

On branche un microphone sur un oscilloscope et on enregistre la sonnerie de fin de cuisson d'un four. Le signal obtenu est affiché ci-dessous. Le réglage horizontal (la « sensibilité ») est de 1 ms par division : chaque carreau du quadrillage, dans le sens de la largeur, correspond à 1 milliseconde.

Rappel : la période \(T\) est la durée d'un motif complet, qui se répète ensuite à l'identique. La fréquence se calcule ensuite par \(f = \dfrac{1}{T}\), avec \(T\) en secondes (s) et \(f\) en hertz (Hz).

1. Compter, sur la figure, le nombre de divisions occupées par un motif complet.

2. En déduire la période. Compléter : \(T = \ldots \times 1\ \text{ms} = \ldots\ \text{ms} = \ldots\ \text{s}\).

3. Calculer la fréquence \(f = \dfrac{1}{T}\). Donner le résultat en hertz.

4. Ce son est-il audible pour l'oreille humaine ? (rappel : domaine audible de 20 Hz à 20 000 Hz)

5. Calculer la longueur d'onde de ce son dans l'air à l'aide de \(\lambda = \dfrac{v}{f}\), avec \(v = 340\ \text{m/s}\).

1. Un motif complet (une « bosse » vers le haut suivie d'une « bosse » vers le bas) occupe 4 divisions. On en compte 3 sur toute la largeur de l'écran (12 divisions), ce qui confirme : \(12 \div 3 = 4\) divisions par motif.

2. \(T = 4 \times 1\ \text{ms} = \mathbf{4\ \text{ms}}\), soit \(T = \mathbf{0{,}004\ \text{s}}\) (1 ms = 0,001 s).

3. \(f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{0{,}004} = \mathbf{250\ \text{Hz}}\).

4. \(20\ \text{Hz} \lt 250\ \text{Hz} \lt 20\,000\ \text{Hz}\) : le son est bien audible. C'est un son plutôt grave, plus bas que le La du diapason (440 Hz).

5. \(\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{250} = \mathbf{1{,}36\ \text{m}}\).

Exercice 1-15 Placer des sons sur l'échelle des décibels Socle

L'échelle ci-dessous rappelle les repères du cours pour l'oreille humaine. On veut y situer cinq sons rencontrés en dehors du travail.

SituationNiveau (dB)Dépasse 80 dB(A) ?Dépasse 85 dB(A) ?
Salle de lecture d'une bibliothèque35nonnon
Conversation entre deux personnes60
Salle de restaurant bondée78
Tondeuse à gazon thermique96
Sirène de pompiers à 5 m115

1. Classer les cinq situations du son le plus faible au son le plus fort.

2. Compléter les deux dernières colonnes du tableau. La première ligne est faite en exemple.

3. À l'aide de l'échelle, indiquer si l'une de ces situations atteint le seuil de douleur (120 dB).

4. Une personne tond sa pelouse (96 dB). Compléter : elle dépasse le seuil de danger de \(96 - 85 = \ldots\) dB. Faut-il porter une protection auditive ?

1. Du plus faible au plus fort : bibliothèque (35 dB) → conversation (60 dB) → restaurant bondé (78 dB) → tondeuse (96 dB) → sirène (115 dB).

2. Conversation 60 dB : non / non.
Restaurant 78 dB : non / non (78 est inférieur à 80, donc à 85 aussi).
Tondeuse 96 dB : oui / oui.
Sirène 115 dB : oui / oui.

3. Non. La valeur la plus élevée est 115 dB (sirène), et \(115 \lt 120\) : le seuil de douleur n'est pas atteint. Il en est toutefois très proche : rester à 5 m d'une sirène est déjà très agressif pour l'oreille.

4. \(96 - 85 = \mathbf{11\ \text{dB}}\) au-dessus du seuil de danger. Oui, une protection auditive (casque ou bouchons) est nécessaire : le seuil de danger de 85 dB(A) ne vaut pas seulement au travail, il concerne l'oreille elle-même, quelle que soit l'activité. Le bricolage et le jardinage sont des sources fréquentes de traumatisme sonore à la maison.

Exercices d'application

Exercice 2-1 Longueur d'onde – Calcul guidé Standard
Relation : \( \lambda = \dfrac{v}{f} \) où \( \lambda \) est en mètres, v en m/s, f en Hz.
Méthode guidée :
Étape 1 : Identifier v (milieu de propagation) et f.
Étape 2 : Appliquer \( \lambda = \dfrac{v}{f} \).
Étape 3 : Exprimer le résultat avec les bonnes unités.

a) Le La musical a une fréquence f = 440 Hz. Dans l'air (v = 340 m/s), calculer la longueur d'onde λ.

b) Ce même son se propage dans l'eau (v = 1 500 m/s). Calculer la nouvelle longueur d'onde. Commenter.

c) Quelle est la longueur d'onde d'un ultrason à 40 000 Hz dans l'air ?

Domaines du spectre sonore avec applications en atelier de menuiserie

a) \( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{440} \approx \mathbf{0{,}77 \text{ m} = 77 \text{ cm}} \)

b) \( \lambda = \dfrac{1500}{440} \approx \mathbf{3{,}4 \text{ m}} \) → La longueur d'onde est plus grande dans l'eau car le son y va plus vite, mais la fréquence reste la même.

c) \( \lambda = \dfrac{340}{40000} = \mathbf{8{,}5 \times 10^{-3} \text{ m} = 8{,}5 \text{ mm}} \) → Les ultrasons ont de très petites longueurs d'onde, ce qui permet de détecter de petits défauts.

Exercice 2-2 Niveau sonore – Risques en atelier Standard
Contexte professionnel

Niveaux sonores mesurés dans un atelier de menuiserie :

Source sonoreNiveau (dB)Risque auditif
Conversation normale60 dB?
Compresseur d'air100 dB?
Meuleuse angulaire110 dB?
Seuil de douleur120 dBDanger immédiat
Le Code du travail raisonne sur l'exposition quotidienne LEX,8h : valeurs d'action à 80 et 85 dB(A), puis valeur limite à 87 dB(A) en tenant compte des protecteurs.

a) Quels équipements de l'atelier nécessitent le port de protections auditives ?

b) Un technicien utilise la meuleuse (110 dB) sans protections. À quelle durée maximale d'exposition est-il limité (règle générale : +3 dB = durée ÷ 2, base 8h à 85 dB) ?

c) Des bouchons d'oreilles offrent une atténuation de 30 dB. Quel niveau sonore le technicien reçoit-il avec ces bouchons sous la meuleuse ?

a) Compresseur (100 dB > 85 dB) et meuleuse (110 dB > 85 dB) → EPI obligatoires pour ces deux équipements.

b) Base : 8h à 85 dB. La meuleuse est à 110 dB, soit 25 dB de plus que 85 dB. Chaque +3 dB divise la durée par 2 : 25 ÷ 3 ≈ 8 doublements, donc la durée est divisée par environ 2⁸ = 256 → 8 h ÷ 256 ≈ 480 min ÷ 256 ≈ moins de 2 minutes maximum. L'exposition sans protection est donc quasi impossible à ce niveau.

c) Niveau reçu = 110 − 30 = 80 dB → inférieur à 85 dB → acceptable pour une journée de travail.

Exercice 2-3 Timbre – Même note, sons différents Standard

Un violon et une trompette jouent la même note La à 440 Hz. On analyse les deux sons à l'oscilloscope.

a) Ces deux sons ont-ils la même hauteur ? Justifier.

b) Comment explique-t-on qu'on les distingue facilement à l'oreille ?

c) Qu'est-ce que le timbre d'un son et comment apparaît-il sur l'oscilloscope ?

d) Application atelier : deux toupies tournent à la même vitesse (même fréquence de rotation). Peut-on les distinguer au son ? Qu'est-ce que cela implique pour la maintenance ?

a) Oui, même hauteur car même fréquence fondamentale f = 440 Hz. La hauteur ne dépend que de la fréquence.

b) On les distingue grâce au timbre : chaque instrument produit des harmoniques (multiples de f₀) d'amplitudes différentes, ce qui donne une "couleur" sonore unique.

c) Le timbre correspond à la forme de la courbe sur l'oscilloscope. Un son pur est une sinusoïde parfaite. Un son riche en harmoniques a une forme plus complexe (somme de sinusoïdes).

d) Oui, deux toupies différentes peuvent avoir des timbres sonores différents même à même régime. En maintenance, on écoute la texture sonore et les fréquences des harmoniques pour identifier des anomalies (roulement usé, balourd de broche).

Exercice 2-4 Ultrason – Contrôle non destructif Standard
Contexte professionnel

Une sonde à ultrasons de fréquence f = 4 MHz est utilisée pour contrôler l'épaisseur d'une paroi métallique (acier). La célérité du son dans l'acier est v = 5 000 m/s.

a) Convertir f = 4 MHz en Hz.

b) Calculer la longueur d'onde λ de l'ultrason dans l'acier.

c) L'écho revient après t = 4 μs (microsecondes). Calculer l'épaisseur e de la paroi.

d) Cette technique de contrôle est-elle destructive pour la pièce ? Quel avantage en atelier ?

Rappel 1 MHz = 10⁶ Hz  |  1 μs = 10⁻⁶ s  |  aller-retour donc \( e = \dfrac{v \times t}{2} \)

a) f = 4 MHz = 4 × 10⁶ Hz = 4 000 000 Hz.

b) \( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{5000}{4 \times 10^6} = 1{,}25 \times 10^{-3} \text{ m} = \mathbf{1{,}25 \text{ mm}} \)

c) t = 4 μs = 4 × 10⁻⁶ s  →  \( e = \dfrac{v \times t}{2} = \dfrac{5000 \times 4 \times 10^{-6}}{2} = \mathbf{0{,}01 \text{ m} = 10 \text{ mm}} \)

d) Technique non destructive (CND) : la pièce n'est pas endommagée. Avantage : contrôle d'une pièce montée sans démontage complet, gain de temps, pas de mise à la ferraille si la pièce est bonne.

Exercice 2-5 Célérité dans différents milieux Standard

Un menuisier frappe sur une poutre en chêne de 15 m de long. Un collègue se trouve à l'autre extrémité.

Données : célérité du son dans le chêne : \( v_{bois} = 4\,000 \text{ m/s} \) ; dans l'air : \( v_{air} = 340 \text{ m/s} \).

a) Calculer le temps mis par le son pour parcourir la poutre.

b) Calculer le temps mis par le son pour parcourir 15 m dans l'air.

c) Le collègue entend-il deux sons distincts ? Calculer le décalage entre les deux.

a) \( t_{bois} = \dfrac{d}{v} = \dfrac{15}{4\,000} = \mathbf{0{,}00375 \text{ s} \approx 3{,}8 \text{ ms}} \)

b) \( t_{air} = \dfrac{15}{340} \approx \mathbf{0{,}044 \text{ s} = 44 \text{ ms}} \)

c) Décalage = 44 − 3,8 = 40,2 ms. Oui, le collègue entend d'abord le son transmis par le bois, puis celui transmis par l'air, avec un décalage perceptible d'environ 40 ms.

Exercice 2-6 Longueur d'onde et défauts dans le bois Standard

Un appareil de contrôle non destructif envoie des ultrasons à \( f = 200 \text{ kHz} \) dans une planche de sapin. La célérité du son dans le sapin est \( v = 3\,500 \text{ m/s} \).

a) Convertir la fréquence en Hz.

b) Calculer la longueur d'onde \( \lambda \) dans le sapin.

c) On considère qu'un défaut est détectable si sa taille est supérieure à \( \lambda / 2 \). Quelle est la taille minimale de défaut détectable ?

d) Peut-on détecter un nœud de 1 cm de diamètre avec cet appareil ?

a) \( f = 200 \text{ kHz} = 200\,000 \text{ Hz} \)

b) \( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{3\,500}{200\,000} = \mathbf{0{,}0175 \text{ m} = 17{,}5 \text{ mm}} \)

c) Taille minimale = \( \lambda / 2 = 17{,}5 / 2 \approx \mathbf{8{,}75 \text{ mm}} \)

d) Un nœud de 1 cm = 10 mm > 8,75 mm → oui, il est détectable avec cet appareil.

Exercice 2-7 Écho en montagne Standard

Un randonneur crie face à une falaise et entend l'écho 4 secondes plus tard. La température est de 20 °C (\( v = 340 \text{ m/s} \)).

a) Expliquer pourquoi il faut diviser par 2 dans le calcul de la distance.

b) Calculer la distance entre le randonneur et la falaise.

c) En hiver, la température descend à 0 °C et la célérité du son vaut alors 331 m/s. Recalculer la distance mesurée pour le même écho de 4 s. L'erreur est-elle importante ?

a) Le son fait un aller-retour : il parcourt la distance randonneur → falaise, puis falaise → randonneur. La distance totale parcourue est donc \( 2d \), d'où \( d = \dfrac{v \times t}{2} \).

b) \( d = \dfrac{340 \times 4}{2} = \dfrac{1\,360}{2} = \mathbf{680 \text{ m}} \)

c) \( d = \dfrac{331 \times 4}{2} = \dfrac{1\,324}{2} = \mathbf{662 \text{ m}} \). Erreur = 680 − 662 = 18 m, soit environ 2,6 %. L'erreur est faible mais pas négligeable pour une mesure précise.

Exercice 2-8 Concert et protection auditive Standard

Lors d'un concert de rock, le niveau sonore moyen est de 105 dB à la place d'un spectateur.

a) Comparer ce niveau à la référence d'écoute de 80 dB(A). Pourquoi faut-il aussi connaître la durée ?

b) Dans un calcul simplifié, des bouchons annoncés à 25 dB donneraient quel niveau ? Pourquoi cette soustraction ne garantit-elle pas le niveau réellement reçu ?

c) Pour les lieux concernés, la réglementation française fixe notamment 102 dB(A) en niveau continu équivalent sur 15 minutes. La valeur moyenne annoncée permet-elle, à elle seule, de conclure ?

d) Un musicien du groupe est exposé à 115 dB pendant 2 heures chaque soir. Expliquer pourquoi les musiciens professionnels portent souvent des bouchons moulés.

a) 105 − 80 = 25 dB. À un tel niveau, la durée d'écoute admissible est très courte : le niveau seul ne décrit pas la dose sonore reçue.

b) Estimation simplifiée : 105 − 25 = 80 dB(A). L'atténuation réelle dépend du protecteur, de son ajustement et de son port continu ; le résultat ne constitue donc pas une garantie.

c) Une moyenne de 105 dB(A) suggère un dépassement, mais la vérification réglementaire doit porter sur le niveau continu équivalent mesuré selon la durée et les conditions prévues, notamment sur 15 minutes.

d) À 115 dB, l'exposition est très dangereuse même sur une courte durée. Les bouchons moulés permettent d'atténuer le son de façon uniforme (toutes les fréquences) tout en conservant la qualité musicale. Ils protègent l'audition sur le long terme et évitent les acouphènes et la surdité professionnelle.

Exercice 2-9 Plusieurs machines en marche – Les dB ne s'additionnent pas ! Standard
Contexte professionnel
Erreur fréquente : les niveaux sonores en décibels ne s'additionnent PAS comme des nombres ordinaires. Deux machines de 80 dB ne font pas 160 dB ! Le décibel est une échelle particulière (logarithmique).
Règle à connaître (constat de mesure) : chaque fois que l'on double le nombre de sources sonores identiques, le niveau augmente de +3 dB(A) seulement.
Exemple : 1 machine → 80 dB ; 2 machines → 83 dB ; 4 machines → 86 dB ; 8 machines → 89 dB.

Dans un atelier de menuiserie, plusieurs dégauchisseuses identiques produisent chacune 80 dB(A) au poste de l'opérateur. On veut connaître le niveau total selon le nombre de machines en marche.

Nombre de machinesNiveau total (dB)
180
2?
4?
8?

a) Un élève écrit : « 2 machines de 80 dB → 80 + 80 = 160 dB ». Expliquer pourquoi ce calcul est faux.

b) Compléter le tableau en appliquant la règle du +3 dB par doublement.

c) Le seuil au-delà duquel les protections auditives sont obligatoires est de 85 dB. À partir de combien de machines en marche est-il atteint ou dépassé ?

a) Le calcul 80 + 80 = 160 dB est faux : les décibels forment une échelle logarithmique, ils ne s'additionnent pas arithmétiquement. Ce qui s'additionne réellement, c'est l'énergie sonore : avec 2 sources identiques, l'énergie est doublée, ce qui ne se traduit que par +3 dB sur le sonomètre. Deux machines de 80 dB donnent donc 83 dB, pas 160 dB.

b) En ajoutant +3 dB à chaque doublement :
– 1 machine : 80 dB
– 2 machines : 80 + 3 = 83 dB
– 4 machines : 83 + 3 = 86 dB
– 8 machines : 86 + 3 = 89 dB

c) Le seuil de 85 dB est dépassé à partir de 4 machines (86 dB > 85 dB). Avec 2 machines (83 dB) on est encore en dessous. Au-delà de 4 machines en marche simultanée, le port des protections auditives devient obligatoire.

Exercice 2-10 Période et fréquence – Lecture d'oscillogramme Standard

Sur un oscilloscope, on observe le signal sonore d'un diapason. On mesure que 5 oscillations complètes occupent une durée de \( \Delta t = 11{,}4 \text{ ms} \).

a) Calculer la période \( T \) d'une oscillation.

b) En déduire la fréquence \( f = 1/T \).

c) De quel instrument s'agit-il probablement ? Justifier.

d) Calculer la longueur d'onde de ce son dans l'air (\( v = 340 \text{ m/s} \)).

a) \( T = \dfrac{\Delta t}{5} = \dfrac{11{,}4}{5} = \mathbf{2{,}28 \text{ ms} = 2{,}28 \times 10^{-3} \text{ s}} \)

b) \( f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{2{,}28 \times 10^{-3}} \approx \mathbf{439 \text{ Hz} \approx 440 \text{ Hz}} \)

c) C'est un diapason, qui émet le La de référence à 440 Hz. La fréquence calculée (439 Hz) est très proche de 440 Hz, l'écart vient de l'imprécision de la mesure.

d) \( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{440} \approx \mathbf{0{,}77 \text{ m} = 77 \text{ cm}} \)

Oscillogramme : 5 oscillations sur 11,4 ms — diapason 440 Hz t (ms) u(t) 0 2,28 4,56 6,84 9,12 11,4 T = 2,28 ms 5T = 11,4 ms

Mesurer plusieurs périodes successives (ici 5) puis diviser : c'est plus précis que mesurer une seule période.

Exercice 2-11 Son dans l'eau – Échographie et sonar Standard

Un sonar de bateau de pêche envoie une impulsion sonore vers le fond. L'écho revient après \( t = 0{,}12 \text{ s} \). La célérité du son dans l'eau de mer est \( v = 1\,500 \text{ m/s} \).

a) Calculer la profondeur du fond marin.

b) Le sonar détecte un banc de poissons avec un écho à \( t = 0{,}04 \text{ s} \). À quelle profondeur se trouvent les poissons ?

c) En médecine, l'échographie utilise aussi des ultrasons. La célérité dans les tissus mous est environ \( v = 1\,540 \text{ m/s} \). Un écho revient après \( t = 0{,}0001 \text{ s} \). À quelle profondeur se trouve l'organe observé ?

a) \( d = \dfrac{v \times t}{2} = \dfrac{1\,500 \times 0{,}12}{2} = \dfrac{180}{2} = \mathbf{90 \text{ m}} \)

b) \( d = \dfrac{1\,500 \times 0{,}04}{2} = \dfrac{60}{2} = \mathbf{30 \text{ m}} \)

c) \( d = \dfrac{1\,540 \times 0{,}0001}{2} = \dfrac{0{,}154}{2} = \mathbf{0{,}077 \text{ m} = 7{,}7 \text{ cm}} \). L'organe se trouve à 7,7 cm de profondeur.

Exercice 2-12 Le bourdonnement d'une ventilation double flux Standard

Les occupants d'un logement neuf se plaignent d'un bourdonnement continu dans la chambre, dû au ventilateur de la ventilation double flux installée dans le local technique. Un technicien relève les caractéristiques suivantes.

Nombre de pales du ventilateur6
Fréquence de rotation1 200 tr/min
Niveau sonore mesuré dans la chambre42 dB
Niveau recommandé en chambre la nuit30 dB
Célérité du son dans l'air340 m/s

1. Convertir la fréquence de rotation en tours par seconde.

2. Chaque pale qui passe devant la bouche produit une impulsion sonore. En déduire la fréquence du son émis par le ventilateur.

3. Ce son est-il audible ? Est-il plus grave ou plus aigu que le La du diapason (440 Hz) ?

4. Calculer la longueur d'onde de ce son dans l'air.

5. Le niveau mesuré respecte-t-il la recommandation ? De combien s'en écarte-t-il ? Le port d'une protection auditive s'impose-t-il pour autant ? Justifier à partir des seuils du cours.

1. \(1\,200 \div 60 = \mathbf{20\ \text{tr/s}}\) : le ventilateur fait 20 tours par seconde.

2. À chaque tour, les 6 pales passent une fois chacune : il y a donc 6 impulsions par tour.
\(f = 6 \times 20 = \mathbf{120\ \text{Hz}}\).

3. \(20\ \text{Hz} \lt 120\ \text{Hz} \lt 20\,000\ \text{Hz}\) : le son est audible. Comme \(120\ \text{Hz} \lt 440\ \text{Hz}\), il est plus grave que le La : c'est bien le « bourdonnement » décrit par les occupants.

4. \(\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{120} = \mathbf{2{,}8\ \text{m}}\) (arrondi au dixième).

5. \(42\ \text{dB} \gt 30\ \text{dB}\) : la recommandation n'est pas respectée, l'écart est de \(42 - 30 = \mathbf{12\ \text{dB}}\).
En revanche, aucune protection auditive ne se justifie : 42 dB est très loin des seuils de 80 et 85 dB(A) au-delà desquels l'audition est menacée. Il ne s'agit pas d'un risque auditif mais d'une gêne, qui perturbe le sommeil. Les solutions relèvent du confort acoustique : plots anti-vibration sous le caisson, pièges à son dans les gaines, réduction du débit la nuit — c'est-à-dire agir à la source, comme pour le bruit en atelier. ✓

Exercice 2-13 Pourquoi n'entend-on que les basses du voisin ? Standard

Un métreur intervient dans un immeuble où un locataire se plaint du bruit du logement voisin. Il constate un fait connu de tous : à travers la cloison, on entend surtout les graves de la musique ; les voix et les sons aigus, eux, passent beaucoup moins. La cloison qui sépare les deux logements a une épaisseur de 10 cm.

Source sonoreFréquence
Caisson de basses50 Hz
Voix parlée500 Hz
Cymbale5 000 Hz
Célérité du son dans l'air340 m/s
Épaisseur de la cloison10 cm

1. Calculer la longueur d'onde de chacun des trois sons dans l'air. Donner les résultats en mètres puis, si besoin, en centimètres.

2. Comparer chaque longueur d'onde à l'épaisseur de la cloison.

3. Proposer une explication du constat du locataire à partir de cette comparaison.

4. Le métreur propose un doublage de 4 cm de laine minérale. D'après la question 1, sur quels sons ce doublage sera-t-il le plus efficace ? Le sera-t-il sur les basses ?

5. Citer, parmi les solutions du cours, celle qui agit réellement contre la transmission des sons graves et justifier.

1. On applique \(\lambda = \dfrac{v}{f}\) avec \(v = 340\ \text{m/s}\) :
Basses : \(\lambda = \dfrac{340}{50} = \mathbf{6{,}8\ \text{m}}\).
Voix : \(\lambda = \dfrac{340}{500} = \mathbf{0{,}68\ \text{m}}\) soit 68 cm.
Cymbale : \(\lambda = \dfrac{340}{5\,000} = \mathbf{0{,}068\ \text{m}}\) soit 6,8 cm.

2. L'épaisseur de la cloison vaut 0,10 m.
Basses : 6,8 m, soit 68 fois l'épaisseur.
Voix : 0,68 m, soit près de 7 fois l'épaisseur.
Cymbale : 0,068 m, soit moins que l'épaisseur.

3. Plus la longueur d'onde est grande devant l'obstacle, moins celui-ci l'arrête. Une onde de 6,8 m « ne voit » pas une paroi de 10 cm : elle fait vibrer la cloison tout entière, qui se comporte comme une membrane et rayonne le son de l'autre côté. À l'inverse, l'onde de la cymbale (6,8 cm) est plus courte que l'épaisseur : elle est en grande partie réfléchie et absorbée dans la paroi. C'est pourquoi il ne passe que les graves.

4. Une laine minérale de 4 cm est efficace sur les sons dont la longueur d'onde est du même ordre ou plus courte, c'est-à-dire les aigus (cymbale, 6,8 cm) et, en partie, les médiums. Elle est quasiment sans effet sur les basses : 4 cm face à une longueur d'onde de 6,8 m ne représentent rien. Le locataire risque donc d'être déçu : le doublage supprimera ce qui le gênait le moins.

5. Les deux solutions du cours qui agissent sur les graves sont les parois lourdes et étanches (doubles cloisons désolidarisées) et les découplages mécaniques (plots anti-vibration). Contre une onde très longue, on n'absorbe pas : il faut de la masse pour qu'elle soit difficile à mettre en vibration, et il faut rompre la continuité entre les deux parois pour que la vibration ne se transmette pas de l'une à l'autre. ✓

Exercice 2-14 Le son ne va pas à la même vitesse dans les deux sens du bois Standard

Un laboratoire de contrôle mesure la durée que met une impulsion sonore pour traverser une même éprouvette de hêtre, d'abord dans le sens des fibres, puis perpendiculairement aux fibres.

MesureDirectionDistance parcourueDurée
1Sens des fibres0,90 m0,20 ms
2Perpendiculairement aux fibres0,12 m0,080 ms
Rappel du coursBois, sens des fibres : 3 000 à 5 000 m/s — perpendiculairement : 1 000 à 2 000 m/s — air : 340 m/s

1. Calculer la célérité du son pour chacune des deux mesures. Attention aux conversions de durée.

2. Comparer les deux résultats et nommer la propriété du bois qu'ils mettent en évidence.

3. Les valeurs obtenues sont-elles cohérentes avec le rappel du cours ? Justifier pour chacune.

4. Un contrôleur pressé note seulement « célérité du hêtre : 1 500 m/s » sans préciser la direction de mesure. Interpréter : quelle conclusion erronée un collègue risque-t-il de tirer sur la qualité de ce bois ?

5. Déterminer combien de fois le son va plus vite dans le sens des fibres que dans l'air.

1. On utilise \(v = \dfrac{d}{t}\), après conversion des durées en secondes.
Mesure 1 : \(t = 0{,}20\ \text{ms} = 0{,}000\,20\ \text{s}\) ; \(v_1 = \dfrac{0{,}90}{0{,}000\,20} = \mathbf{4\,500\ \text{m/s}}\).
Mesure 2 : \(t = 0{,}080\ \text{ms} = 0{,}000\,080\ \text{s}\) ; \(v_2 = \dfrac{0{,}12}{0{,}000\,080} = \mathbf{1\,500\ \text{m/s}}\).

2. \(4\,500 \div 1\,500 = 3\) : le son se propage 3 fois plus vite dans le sens des fibres. Le bois n'a donc pas les mêmes propriétés dans toutes les directions : il est anisotrope. Les fibres, alignées et rigides, transmettent très efficacement la vibration dans leur longueur ; en travers, la vibration doit passer d'une fibre à l'autre.

3. Oui, les deux valeurs sont cohérentes : \(4\,500\ \text{m/s}\) appartient bien à l'intervalle 3 000–5 000 m/s annoncé pour le sens des fibres, et \(1\,500\ \text{m/s}\) à l'intervalle 1 000–2 000 m/s annoncé perpendiculairement.

4. Sans la direction, la valeur 1 500 m/s est ininterprétable. Un collègue qui la lirait comme une mesure faite dans le sens des fibres la comparerait à l'intervalle 3 000–5 000 m/s : il la trouverait anormalement basse et conclurait à tort que le bois est défectueux (pourri, fissuré, trop humide, module d'élasticité insuffisant). Une pièce parfaitement saine pourrait ainsi être rebutée. Une mesure n'a de sens qu'accompagnée de ses conditions.

5. \(\dfrac{4\,500}{340} \approx \mathbf{13}\) : le son va environ 13 fois plus vite dans le sens des fibres que dans l'air. C'est bien pourquoi les vibrations d'une machine se transmettent si efficacement par les pièces de bois et les structures de l'atelier.

Exercice 2-15 Deux sons purs sur le même oscilloscope Standard

Au laboratoire, deux haut-parleurs alimentés séparément émettent chacun un son pur. Les deux signaux sont enregistrés au microphone puis affichés sur les deux voies d'un oscilloscope, avec le même réglage horizontal de 0,5 ms par division.

1. Déterminer, pour chaque voie, le nombre de divisions occupées par un motif complet, puis la période du son correspondant.

2. Calculer la fréquence de chacun des deux sons.

3. Indiquer lequel est le plus aigu et lequel est le plus fort. Justifier à partir de la figure dans les deux cas.

4. Calculer la longueur d'onde de chaque son dans l'air (\(v = 340\ \text{m/s}\)).

5. Les deux sons sont-ils audibles ? Interpréter le lien observé entre la hauteur d'un son et sa longueur d'onde.

1. Voie A : un motif complet occupe 2 divisions → \(T_A = 2 \times 0{,}5 = \mathbf{1{,}0\ \text{ms}} = 0{,}001\,0\ \text{s}\).
Voie B : un motif complet occupe 5 divisions → \(T_B = 5 \times 0{,}5 = \mathbf{2{,}5\ \text{ms}} = 0{,}002\,5\ \text{s}\).

2. \(f_A = \dfrac{1}{T_A} = \dfrac{1}{0{,}001\,0} = \mathbf{1\,000\ \text{Hz}}\).
\(f_B = \dfrac{1}{T_B} = \dfrac{1}{0{,}002\,5} = \mathbf{400\ \text{Hz}}\).

3. Le son A est le plus aigu : sa fréquence est la plus élevée (1 000 Hz \(\gt\) 400 Hz), ce qui se voit directement sur la figure — ses motifs sont plus serrés.
Le son A est aussi le plus fort : son amplitude (hauteur des bosses au-dessus de l'axe) vaut 1,5 division contre 0,75 division pour B, soit deux fois plus. Attention : hauteur et force sont deux caractéristiques indépendantes — ici, elles se trouvent aller dans le même sens, ce n'est pas une règle.

4. \(\lambda_A = \dfrac{v}{f_A} = \dfrac{340}{1\,000} = \mathbf{0{,}34\ \text{m}}\).
\(\lambda_B = \dfrac{v}{f_B} = \dfrac{340}{400} = \mathbf{0{,}85\ \text{m}}\).

5. Les deux sons sont audibles : 400 Hz et 1 000 Hz sont bien compris entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Interprétation : dans un même milieu, \(v\) est fixée, donc \(\lambda = \dfrac{v}{f}\) est d'autant plus petite que la fréquence est grande. Le son le plus aigu (A) a la plus courte longueur d'onde (0,34 m), le plus grave (B) la plus longue (0,85 m). C'est cette relation qui explique que les ultrasons, de très haute fréquence, aient des longueurs d'onde millimétriques et puissent détecter de tout petits défauts. ✓

Exercices d'approfondissement

Exercice 3-1 Diagnostic bruit de broche – Toupie en atelier Approfondissement
Contexte professionnel

Un technicien détecte avec un sonomètre une vibration anormale de fréquence f = 120 Hz sur la broche d'une toupie tournant à 3 600 tr/min.

a) Convertir 3 600 tr/min en tr/s (tours par seconde).

b) La broche de la toupie porte 2 couteaux. Chaque couteau produit une impulsion à chaque tour. Quelle est la fréquence fondamentale des impacts des couteaux ?

c) Le signal à 120 Hz est-il un harmonique de la fréquence fondamentale ? Quel ordre ?

d) Proposer des sources mécaniques possibles produisant ce signal (déséquilibre, jeu, usure).

Rappel : La fréquence de rotation en tr/s = (tr/min) ÷ 60. Un harmonique de rang n a pour fréquence \( f_n = n \times f_0 \).

a) 3 600 tr/min ÷ 60 = 60 tr/s.

b) La broche porte 2 couteaux → 2 impacts par tour. Fréquence fondamentale = 60 × 2 = 120 Hz.

c) f = 120 Hz est exactement la fréquence fondamentale → harmonique de rang 1. Ce n'est pas forcément une anomalie en soi, c'est la fréquence normale de passage des couteaux à ce régime.

d) Si l'amplitude de cette vibration est excessive : déséquilibre de la broche ou d'un couteau, jeu excessif dans les paliers, usure du roulement de broche. Il faut comparer le niveau d'amplitude à une machine en bon état.

Exercice 3-2 Protection acoustique atelier – Réglementation Approfondissement
Contexte professionnel

Un compresseur d'atelier produit un niveau sonore de 104 dB à 1 m. La réglementation (Directive européenne bruit 2003/10/CE) fixe :

Valeur déclenchanteNiveau d'exposition (8h)Obligation
Inférieure< 80 dBAucune
1ère valeur d'action80 dBMise à disposition EPI
2ème valeur d'action85 dBEPI obligatoires + formation
Valeur limite87 dB(A)Pour LEX,8h, protecteurs pris en compte

a) À 104 dB, quelle valeur déclenchante est franchie ?

b) Des bouchons d'oreilles SNR = 32 dB sont disponibles. Quelle atténuation efficace faut-il appliquer (règle pratique : efficacité réelle ≈ SNR – 7 dB) ?

c) Effectuer l'estimation simplifiée du niveau sous les bouchons. Peut-on conclure à la conformité avec ce seul calcul ?

d) Rédiger une procédure courte de 3 règles à afficher dans l'atelier concernant le bruit.

a) 104 dB dépasse toutes les valeurs déclenchantes. On est bien au-delà de 85 dB → EPI obligatoires + formation, et le niveau dépasse largement 87 dB.

b) Atténuation efficace = SNR – 7 = 32 – 7 = 25 dB d'atténuation réelle.

c) Estimation simplifiée : 104 − 25 = 79 dB(A). On ne peut pas conclure à la conformité avec ce seul résultat : il faut évaluer LEX,8h, la durée de port et l'atténuation réellement obtenue.

d) Règles à afficher :
1. Port des bouchons d'oreilles obligatoire lors de l'utilisation du compresseur, de la meuleuse ou de tout outil bruyant.
2. Limiter la durée d'exposition aux sources > 85 dB ; alterner les postes si possible.
3. Signaler toute gêne auditive (acouphènes, baisse d'acuité) au responsable et consulter un médecin du travail.

Exercice 3-3 Analyse spectrale et maintenance préventive Approfondissement
Contexte professionnel

Une rectifieuse (machine-outil) tourne à 6 000 tr/min. Le roulement de broche comporte 12 billes. Un capteur de vibrations enregistre le spectre sonore et révèle un pic à 1 400 Hz.

a) Convertir 6 000 tr/min en tr/s.

b) Calculer la fréquence de passage des billes (fréquence de rotation × nombre de billes).

c) Le pic à 1 400 Hz coïncide-t-il avec la fréquence de passage des billes ? Que peut-on en déduire ?

d) Un technicien mesure aussi un pic à 200 Hz. Sachant que la fréquence de rotation est 100 tr/s, de quel harmonique s'agit-il ? Proposer une cause mécanique.

e) La norme EN ISO 10816 préconise une vitesse de vibration maximale de 2,8 mm/s pour une machine de cette classe. Le technicien mesure 3,5 mm/s. Quelle décision prendre ?

a) 6 000 / 60 = 100 tr/s.

b) Fréquence de passage des billes = 100 × 12 = 1 200 Hz.

c) 1 400 Hz ≠ 1 200 Hz. Le pic ne coïncide pas exactement → possible usure ou défaut de forme des billes, ou fréquence de résonance de la carcasse. Diagnostic : remplacement préventif du roulement recommandé.

d) 200 Hz / 100 tr/s = 2 → harmonique de rang 2 (double de la fréquence de rotation). Cause possible : balourd, désalignement d'arbre, excentricité.

e) 3,5 mm/s > 2,8 mm/s → dépassement de la valeur limite. Décision : arrêt de la machine pour inspection et maintenance. Continuer à fonctionner risquerait une casse de roulement et endommagerait la broche.

Exercice 3-4 Isolation phonique d'un atelier – Étude complète Approfondissement

Un artisan menuisier souhaite isoler son atelier du bruit. Le niveau sonore mesuré à l'intérieur est de 98 dB lorsque la scie à ruban fonctionne. Le voisinage se plaint du bruit. Un bureau d'études acoustiques fixe à l'artisan un objectif de 40 dB en journée chez le riverain le plus proche (35 dB la nuit).

Attention : ces 40 dB sont un objectif de chantier, pas le texte réglementaire. Le bruit de voisinage se juge en France sur l'émergence : la différence entre le bruit mesuré machine en marche et le bruit de fond machine à l'arrêt, qui ne doit pas dépasser +5 dB(A) le jour et +3 dB(A) la nuit (voir l'exercice « Les infrasons d'une éolienne »). Un objectif en niveau absolu est plus simple à calculer, et c'est ce qu'on utilise ici.

a) Quelle atténuation minimale (en dB) doit apporter l'isolation pour tenir l'objectif de jour ?

b) Un mur en parpaings de 20 cm apporte une atténuation de 45 dB. Un doublage en laine de roche ajoute 12 dB d'atténuation. L'ensemble est-il suffisant ?

c) Le menuisier envisage aussi de poser des plots anti-vibration sous la scie. Expliquer le principe physique de cette solution.

d) Proposer un plan d'action complet (3 mesures) pour réduire les nuisances sonores.

a) Atténuation minimale = 98 − 40 = 58 dB pour tenir l'objectif de jour.

b) Atténuation totale = 45 + 12 = 57 dB. Niveau transmis = 98 − 57 = 41 dB. C'est 1 dB au-dessus de l'objectif de jour (40 dB) → insuffisant de justesse. Il faudrait un complément d'isolation.
À noter : conclure vraiment sur la conformité demanderait de mesurer l'émergence chez le riverain, donc de connaître aussi le bruit de fond scie à l'arrêt. Un même niveau de 41 dB est gênant dans un hameau silencieux à 30 dB, et passe inaperçu au bord d'une route à 45 dB.

c) Les plots anti-vibration sont des éléments souples (caoutchouc, néoprène) placés entre la machine et le sol. Ils absorbent les vibrations mécaniques et empêchent leur transmission au sol et aux murs par voie solidienne. Cela réduit le bruit transmis par les structures du bâtiment.

d) Plan d'action :
1. Isolation des murs : doublage laine de roche + plaque de plâtre (gain supplémentaire de 5 à 10 dB).
2. Découplage mécanique : plots anti-vibration sous toutes les machines bruyantes.
3. Limitation horaire : ne pas utiliser les machines les plus bruyantes en dehors des horaires autorisés et fermer les portes et fenêtres pendant l'usinage.

Exercice 3-5 Échographie médicale – Calcul multi-étapes Approfondissement

Une sonde d'échographie émet des ultrasons à la fréquence \( f = 5 \text{ MHz} \) dans les tissus mous du corps humain. La célérité du son dans ces tissus est \( v = 1\,540 \text{ m/s} \).

a) Convertir la fréquence en Hz et calculer la longueur d'onde \( \lambda \).

b) Un écho est reçu après \( t = 0{,}00013 \text{ s} \). Calculer la profondeur de la structure réfléchissante.

c) Le même appareil est utilisé pour examiner un os (\( v_{os} = 3\,500 \text{ m/s} \)). L'écho d'un défaut dans l'os revient après \( t = 0{,}000006 \text{ s} \). Calculer la profondeur du défaut.

d) Expliquer pourquoi la résolution de l'image échographique est meilleure avec une fréquence élevée. Quel est l'inconvénient d'une fréquence trop élevée ?

a) \( f = 5 \text{ MHz} = 5 \times 10^6 \text{ Hz} \)
\( \lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{1\,540}{5 \times 10^6} = 3{,}08 \times 10^{-4} \text{ m} = \mathbf{0{,}31 \text{ mm}} \)

b) \( d = \dfrac{v \times t}{2} = \dfrac{1\,540 \times 0{,}00013}{2} = \dfrac{0{,}2002}{2} = \mathbf{0{,}1 \text{ m} = 10 \text{ cm}} \)

c) \( d = \dfrac{3\,500 \times 0{,}000006}{2} = \dfrac{0{,}021}{2} = \mathbf{0{,}0105 \text{ m} = 10{,}5 \text{ mm}} \)

d) Plus la fréquence est élevée, plus \( \lambda \) est petite, ce qui permet de détecter des structures plus fines (meilleure résolution). Cependant, les ultrasons à haute fréquence sont davantage absorbés par les tissus : ils ne pénètrent pas en profondeur. Il faut donc trouver un compromis entre résolution et profondeur d'exploration.

Exercice 3-6 Cartographie sonore d'un atelier Approfondissement

Un responsable sécurité réalise une cartographie sonore d'un atelier de menuiserie. Il mesure le niveau sonore à différents postes :

Poste de travailNiveau (dB)Durée d'exposition/jour
Scie circulaire1021 h
Défonceuse962 h
Ponçage manuel783 h
Assemblage (marteau)881 h 30
Bureau (devis, plans)4530 min

a) Pour chaque poste, indiquer si le port d'EPI auditifs est obligatoire (seuil : 85 dB).

b) Classer les postes du plus dangereux au moins dangereux pour l'audition.

c) Le menuisier utilise un casque anti-bruit atténuant de 28 dB. Calculer le niveau reçu pour chaque poste bruyant (> 85 dB). Tous les niveaux sont-ils ramenés sous 87 dB ?

d) Proposer une organisation de la journée de travail qui minimise le risque auditif. Justifier.

a)
– Scie circulaire (102 dB) : OUI (102 > 85)
– Défonceuse (96 dB) : OUI (96 > 85)
– Ponçage manuel (78 dB) : NON (78 < 85)
– Assemblage (88 dB) : OUI (88 > 85)
– Bureau (45 dB) : NON

b) Du plus dangereux au moins dangereux : Scie circulaire (102 dB) → Défonceuse (96 dB) → Assemblage (88 dB) → Ponçage (78 dB) → Bureau (45 dB).

c)
– Scie circulaire : 102 − 28 = 74 dB
– Défonceuse : 96 − 28 = 68 dB
– Assemblage : 88 − 28 = 60 dB
Tous les niveaux sont ramenés bien en dessous de 87 dB.

d) Organisation proposée : alterner les postes bruyants avec les postes calmes. Par exemple : scie circulaire le matin (1 h) → ponçage → pause → défonceuse (2 h) → bureau → assemblage en fin de journée. Les pauses entre expositions bruyantes permettent à l'oreille de récupérer. Regrouper les tâches bruyantes en continu serait plus risqué.

Exercice 3-7 Contrôle ultrasonore d'un panneau de bois lamellé-collé Approfondissement

Un technicien contrôle un panneau de bois lamellé-collé de 8 cm d'épaisseur à l'aide d'une sonde ultrasonore. La célérité du son dans le bois est \( v = 4\,200 \text{ m/s} \). La fréquence de la sonde est \( f = 500 \text{ kHz} \).

a) Calculer la longueur d'onde des ultrasons dans le bois.

b) L'écho de la face arrière du panneau revient après \( t_1 = 38 \text{ µs} \). Retrouver l'épaisseur du panneau par le calcul.

c) Un écho parasite apparaît à \( t_2 = 24 \text{ µs} \), avant l'écho de fond. Calculer la profondeur de ce défaut.

d) Ce défaut se situe-t-il dans une zone de collage entre deux lamelles ? Le panneau est constitué de 4 lamelles de 2 cm chacune (joints de colle à 2 cm, 4 cm et 6 cm). Conclure sur la qualité du collage.

a) \( f = 500\,000 \text{ Hz} \) ; \( \lambda = \dfrac{4\,200}{500\,000} = \mathbf{0{,}0084 \text{ m} = 8{,}4 \text{ mm}} \)

b) \( e = \dfrac{v \times t_1}{2} = \dfrac{4\,200 \times 38 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{0{,}1596}{2} = \mathbf{0{,}0798 \text{ m} \approx 8 \text{ cm}} \) ✓ Cohérent avec l'épaisseur annoncée.

c) \( d = \dfrac{v \times t_2}{2} = \dfrac{4\,200 \times 24 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{0{,}1008}{2} = \mathbf{0{,}0504 \text{ m} \approx 5 \text{ cm}} \)

d) Le défaut est à 5 cm de profondeur. Les joints de colle sont à 2, 4 et 6 cm. Le défaut à 5 cm ne correspond pas exactement à un joint de colle (le plus proche est à 4 cm ou 6 cm). Il pourrait s'agir d'un nœud ou d'une fissure interne dans la troisième lamelle. Toutefois, si l'on tient compte de l'incertitude de mesure, un défaut de collage au joint à 4 cm reste possible. Un contrôle complémentaire est recommandé.

Exercice 3-8 Problème ouvert – Mesurer la vitesse du son Approfondissement

Deux élèves souhaitent mesurer la vitesse du son dans l'air avec le matériel suivant : un mètre ruban de 50 m, un chronomètre de smartphone (précision 0,01 s) et deux morceaux de bois à claquer l'un contre l'autre.

a) Proposer un protocole expérimental détaillé pour mesurer la célérité du son. Préciser le rôle de chaque élève.

b) Les élèves se placent à 50 m l'un de l'autre. L'élève B mesure un temps de \( t = 0{,}15 \text{ s} \) entre le moment où il voit les bois se frapper et le moment où il entend le claquement. Calculer la célérité du son obtenue.

c) L'écart avec la valeur théorique (340 m/s) est-il acceptable ? Calculer l'erreur relative en pourcentage.

d) Identifier au moins 3 sources d'erreur et proposer des améliorations pour chacune.

a) Protocole :
– Élève A se place à une extrémité, élève B à 50 m (distance mesurée au mètre ruban).
– Élève A frappe les morceaux de bois l'un contre l'autre.
– Élève B déclenche le chronomètre quand il voit le choc (la lumière est quasi instantanée) et l'arrête quand il entend le bruit.
– Répéter 10 fois et faire la moyenne pour réduire les erreurs.

b) \( v = \dfrac{d}{t} = \dfrac{50}{0{,}15} = \mathbf{333 \text{ m/s}} \)

c) Erreur relative = \( \dfrac{|340 - 333|}{340} \times 100 = \dfrac{7}{340} \times 100 \approx \mathbf{2{,}1\%} \). C'est acceptable pour une mesure avec un smartphone.

d) Sources d'erreur :
1. Temps de réaction humain (~0,2 s) → faire plusieurs mesures et prendre la moyenne ; ou utiliser deux microphones et un enregistreur.
2. Vent → se placer dans un endroit abrité ou mesurer dans les deux sens et faire la moyenne.
3. Distance imprécise → utiliser un décamètre rigide et vérifier l'alignement.
4. Température → noter la température et comparer à la valeur théorique correspondante.

Exercice 3-9 Combien de temps peut-on écouter ? Approfondissement

L'oreille ne réagit pas seulement au niveau sonore, mais à la quantité totale d'énergie qu'elle reçoit dans la journée : c'est la notion de dose. Les mesures montrent que l'énergie sonore reçue double chaque fois que le niveau augmente de 3 dB. Pour une même dose, la durée admissible est donc divisée par deux à chaque augmentation de 3 dB. On prend pour référence : 8 h à 80 dB(A).

1. Établir la durée d'écoute admissible pour chacun des niveaux suivants : 89 dB(A), 95 dB(A), 104 dB(A). Détailler le raisonnement.

2. Un fabricant de casque écrit sur sa notice : « grâce à la réduction de bruit active, vous pouvez écouter à 95 dB toute la journée sans risque ». Critiquer cette phrase.

3. Un élève écoute de la musique au casque 2 h par jour. Déterminer le niveau maximal qu'il ne devrait pas dépasser.

4. Expliquer pourquoi la règle utilisée ici ne donne que des ordres de grandeur, et non des durées à la seconde près.

5. Rédiger trois conseils argumentés destinés à un camarade qui écoute de la musique au casque tous les jours.

1. On compte de combien de fois 3 dB on dépasse la référence de 80 dB(A), et on divise 8 h par 2 autant de fois.

89 dB(A) : \(89 - 80 = 9\) dB, soit \(9 \div 3 = 3\) doublements. Durée : \(8 \div 2^3 = 8 \div 8 = \mathbf{1\ \text{h}}\).
95 dB(A) : \(95 - 80 = 15\) dB, soit \(15 \div 3 = 5\) doublements. Durée : \(8 \div 2^5 = 8 \div 32 = 0{,}25\ \text{h} = \mathbf{15\ \text{min}}\).
104 dB(A) : \(104 - 80 = 24\) dB, soit \(24 \div 3 = 8\) doublements. Durée : \(8 \div 2^8 = 8 \div 256 = 0{,}031\ \text{h} \approx \mathbf{1{,}9\ \text{min}}\), soit moins de 2 minutes.

2. La phrase est trompeuse sur deux points.
• La réduction de bruit active atténue le bruit extérieur (métro, moteur d'avion). Elle ne diminue en rien le niveau de la musique délivrée à l'oreille — c'est même l'inverse qui se produit d'habitude : comme on n'a plus besoin de « couvrir » le bruit ambiant, elle permet d'écouter moins fort, à condition de baisser effectivement le volume.
• Surtout, à 95 dB(A) la durée admissible n'est pas la journée mais 15 minutes (question 1). Écouter 8 h à ce niveau représente une dose 32 fois supérieure à la référence. La phrase confond « le casque isole bien » et « le son reçu est sans danger ».

3. On raisonne dans l'autre sens : partir de 8 h à 80 dB(A) et diviser la durée par 2 en ajoutant 3 dB à chaque fois.
8 h → 80 dB(A) ; 4 h → 83 dB(A) ; 2 h → 86 dB(A).
Il ne devrait donc pas dépasser 86 dB(A) — ce qui, sur la plupart des baladeurs, correspond à un volume nettement inférieur au maximum.

4. Parce que la règle repose sur plusieurs simplifications : elle suppose un niveau constant pendant toute la durée (or on monte et on baisse le son), elle ignore le contenu fréquentiel (l'oreille est plus fragile vers 4 000 Hz), elle ignore les sons impulsionnels (un choc bref peut léser l'oreille instantanément) et elle ne tient pas compte des différences entre individus. C'est un outil de décision, pas une mesure : il indique un ordre de grandeur et le sens dans lequel agir.

5. Trois conseils, avec leur justification :
Baisser le volume plutôt que raccourcir l'écoute. −3 dB double la durée admissible : c'est le levier le plus efficace, et le moins contraignant.
Préférer un casque qui isole du bruit extérieur. Dans le bus ou la rue, on monte le volume pour couvrir le bruit ambiant sans s'en rendre compte : bien isolé, on écoute spontanément moins fort.
S'accorder des pauses et surveiller les signaux d'alerte. Sifflements, bourdonnements ou impression d'oreille cotonneuse après l'écoute annoncent une atteinte : la fatigue auditive récupère, mais la perte auditive due au bruit, elle, est définitive — les cellules de l'oreille interne ne se régénèrent pas.

Exercice 3-10 Épaisseur restante d'un tube de chaudière Approfondissement

Lors de la visite décennale d'une chaudière industrielle, un technicien contrôle l'épaisseur des tubes de l'échangeur sans les démonter : une sonde envoie une impulsion ultrasonore dans la paroi et mesure la durée de l'aller-retour de l'écho sur la face interne. Les tubes sont en acier, d'épaisseur d'origine 8,0 mm ; ils sont mis au rebut en dessous de 5,0 mm.

Point de mesureDurée de l'aller-retour
P1 — génératrice haute3,20 µs
P2 — flanc côté flamme2,60 µs
P3 — génératrice basse1,90 µs
Célérité du son dans l'acier5 000 m/s
Rappel1 µs = 10⁻⁶ s

1. Déterminer l'épaisseur de la paroi en chacun des trois points. Exprimer les résultats en millimètres.

2. Indiquer les points hors tolérance et conclure sur la décision à prendre.

3. Le contrôle précédent, réalisé il y a 3 ans, donnait 7,0 mm au point P3. Estimer la vitesse de corrosion, puis la durée au bout de laquelle le point P2 atteindra à son tour la cote de rebut. Préciser l'hypothèse faite.

4. Un stagiaire propose de régler l'appareil sur 340 m/s, « puisque la sonde est posée à l'air libre ». Calculer l'épaisseur qu'il obtiendrait au point P1 et expliquer pourquoi ce réglage n'a aucun sens.

1. L'onde fait un aller-retour dans la paroi : la distance parcourue est \(2e\), donc \(e = \dfrac{v \times t}{2}\).

P1 : \(e = \dfrac{5\,000 \times 3{,}20 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{0{,}016}{2} = 0{,}008\,0\ \text{m} = \mathbf{8{,}0\ \text{mm}}\).
P2 : \(e = \dfrac{5\,000 \times 2{,}60 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{0{,}013}{2} = 0{,}006\,5\ \text{m} = \mathbf{6{,}5\ \text{mm}}\).
P3 : \(e = \dfrac{5\,000 \times 1{,}90 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{0{,}009\,5}{2} = 0{,}004\,75\ \text{m} = \mathbf{4{,}75\ \text{mm}}\), soit environ 4,8 mm.

2. Le seuil de rebut est de 5,0 mm.
• P1 (8,0 mm) et P2 (6,5 mm) sont conformes.
• P3 (4,75 mm) est hors tolérance : \(4{,}75 \lt 5{,}0\).
Décision : le tube doit être remplacé. Au passage, P1 n'a pas bougé depuis l'origine tandis que P3 a perdu plus de 3 mm : la corrosion est très localisée, ce qui justifie de contrôler plusieurs points et non un seul.

3. Au point P3 : de 7,0 mm à 4,75 mm en 3 ans, soit une perte de \(7{,}0 - 4{,}75 = 2{,}25\ \text{mm}\).
Vitesse de corrosion : \(\dfrac{2{,}25}{3} = \mathbf{0{,}75\ \text{mm/an}}\).
Au point P2, il reste avant rebut : \(6{,}5 - 5{,}0 = 1{,}5\ \text{mm}\), soit \(\dfrac{1{,}5}{0{,}75} = \mathbf{2\ \text{ans}}\).
Hypothèse : on suppose que la corrosion progresse à la même vitesse en P2 qu'en P3 et qu'elle reste régulière dans le temps. C'est discutable : P3 est la génératrice basse, où l'eau et les dépôts stagnent, et la corrosion s'accélère souvent une fois la couche protectrice percée. L'estimation de 2 ans est donc plutôt un maximum optimiste — d'où l'intérêt de reprogrammer un contrôle avant l'échéance.

4. Avec 340 m/s : \(e = \dfrac{340 \times 3{,}20 \times 10^{-6}}{2} = \dfrac{1{,}088 \times 10^{-3}}{2} = 5{,}4 \times 10^{-4}\ \text{m} = \mathbf{0{,}54\ \text{mm}}\).
Le résultat est absurde : un tube de chaudière de 0,5 mm d'épaisseur aurait éclaté depuis longtemps. L'erreur est de principe : la célérité à utiliser est celle du milieu que l'onde traverse, c'est-à-dire l'acier de la paroi (5 000 m/s), et non celle de l'air où se tient l'opérateur. Le son se propage environ 15 fois plus vite dans l'acier que dans l'air : régler l'appareil sur 340 m/s divise toutes les épaisseurs par le même facteur et conduirait à mettre au rebut une installation parfaitement saine. ✓

Exercice 3-11 Identifier un matériau par la célérité du son Approfondissement

Au laboratoire, trois barreaux de 1,20 m, peints en gris et sans marquage, doivent être identifiés. Un capteur placé à chaque extrémité mesure la durée mise par une impulsion pour parcourir le barreau dans sa longueur.

BarreauDurée mesurée
A0,24 ms
B0,30 ms
C0,80 ms
MilieuCélérité (m/s)MilieuCélérité (m/s)
Air340Bois, sens des fibres3 000 à 5 000
PVC rigide1 500 à 2 400Bois, perpendiculaire1 000 à 2 000
Eau1 500Acier5 000
Plomb1 200Verre5 200

1. Déterminer la célérité du son dans chacun des trois barreaux.

2. Proposer une identification pour chaque barreau et signaler les cas où plusieurs réponses restent possibles.

3. Le barreau B est effectivement en bois. Un élève conclut : « le bois transmet le son à 4 000 m/s ». Critiquer cette formulation.

4. On refait la mesure sur B dans son épaisseur : on trouve cette fois 1 400 m/s. Interpréter ce nouveau résultat.

5. Proposer une modification du protocole permettant de distinguer sans ambiguïté l'acier du verre.

1. On applique \(v = \dfrac{d}{t}\) avec \(d = 1{,}20\ \text{m}\), après conversion des durées.
A : \(v = \dfrac{1{,}20}{0{,}000\,24} = \mathbf{5\,000\ \text{m/s}}\).
B : \(v = \dfrac{1{,}20}{0{,}000\,30} = \mathbf{4\,000\ \text{m/s}}\).
C : \(v = \dfrac{1{,}20}{0{,}000\,80} = \mathbf{1\,500\ \text{m/s}}\).

2. A (5 000 m/s) : valeur exacte de l'acier. Mais le verre est donné à 5 200 m/s, soit 4 % d'écart seulement : l'ambiguïté n'est pas levée si la mesure comporte la moindre incertitude.
B (4 000 m/s) : dans l'intervalle du bois mesuré dans le sens des fibres (3 000–5 000 m/s). Aucun autre matériau du tableau ne convient.
C (1 500 m/s) : valeur compatible avec le PVC rigide (1 500–2 400) — et aussi, à la valeur près, avec l'eau (1 500) et la borne haute du bois perpendiculaire. Comme il s'agit d'un barreau solide, l'eau est exclue : reste le PVC, ou du bois mesuré en travers.
Conclusion : la célérité seule oriente l'identification, elle ne la prouve pas.

3. La formulation est abusive pour deux raisons.
• Le bois est anisotrope : 4 000 m/s est la valeur dans le sens des fibres, pas « du bois ». En travers, elle est 2 à 3 fois plus faible.
• Le bois n'est pas un matériau : la célérité dépend de l'essence, de la densité, du taux d'humidité et de la présence de nœuds. C'est d'ailleurs ce qui rend la mesure utile en contrôle qualité — si la valeur était universelle, elle n'apprendrait rien.
Formulation correcte : « ce barreau de bois transmet le son à 4 000 m/s dans le sens des fibres ».

4. 1 400 m/s appartient à l'intervalle 1 000–2 000 m/s annoncé perpendiculairement aux fibres. Le rapport \(\dfrac{4\,000}{1\,400} \approx 2{,}9\) est cohérent avec le facteur 2 à 3 donné par le cours. Ce n'est donc pas une mesure fausse : c'est la confirmation expérimentale de l'anisotropie du bois. La question 3 s'en trouve validée : annoncer une célérité sans préciser la direction n'a pas de sens.

5. Plusieurs pistes acceptables, à condition d'être justifiées :
Augmenter la longueur mesurée (par exemple 3 m au lieu de 1,20 m) : la durée mesurée est plus grande, donc l'incertitude relative sur \(t\) plus faible, et l'écart de 4 % entre acier et verre devient mesurable.
Améliorer la résolution temporelle de l'appareil (µs plutôt que dixième de ms).
Répéter la mesure plusieurs fois et prendre la moyenne, pour estimer la dispersion.
Croiser avec un autre critère : masse pour un même volume, attraction par un aimant, aspect à l'entaille. La physique ne tranche pas toujours seule : la bonne pratique est de ne jamais identifier un matériau sur une seule grandeur. ✓

Exercice 3-12 Arrêter des machines fait-il vraiment baisser le bruit ? Approfondissement

Dans un atelier de métallerie, 8 presses identiques fonctionnent en même temps. Le sonomètre placé au poste central indique 92 dB(A). Le responsable sécurité veut ramener ce niveau sous 85 dB(A) et envisage d'arrêter une partie des machines.

Constat de mesure à utiliser : chaque fois que l'on double le nombre de sources sonores identiques, le niveau augmente de +3 dB(A) seulement — et réciproquement, diviser leur nombre par deux le fait baisser de 3 dB(A).

1. Déterminer le niveau sonore produit par une seule presse au poste central.

2. Établir le niveau obtenu avec 4, puis 2, puis 1 presse en marche.

3. Conclure : l'objectif de 85 dB(A) peut-il être atteint en arrêtant des machines ? À quel prix pour la production ?

4. Le fabricant propose un capotage qui réduit de 10 dB le bruit émis par chaque presse. Déterminer le niveau obtenu avec les 8 presses capotées, puis comparer l'efficacité des deux stratégies.

5. Un apprenti écrit : « 8 presses de 83 dB, ça fait \(8 \times 83 = 664\) dB ». Expliquer l'erreur en une phrase et donner un ordre de grandeur des niveaux sonores réellement rencontrés au maximum.

1. Passer de 1 à 8 presses, c'est doubler trois fois (\(1 \rightarrow 2 \rightarrow 4 \rightarrow 8\), soit \(8 = 2^3\)), donc ajouter \(3 \times 3 = 9\ \text{dB}\).
Niveau d'une seule presse : \(92 - 9 = \mathbf{83\ \text{dB(A)}}\).

2. On repart de 83 dB(A) et on ajoute 3 dB à chaque doublement :
1 presse → 83 dB(A) ; 2 presses → 86 dB(A) ; 4 presses → 89 dB(A) ; 8 presses → 92 dB(A) ✓ (cohérent avec la mesure).

3. Avec 2 presses on est encore à 86 dB(A), donc au-dessus de 85. Il faudrait n'en garder qu'une seule (83 dB(A)) pour passer sous le seuil.
Autrement dit : pour gagner 9 dB, il faut diviser la production par 8. La solution est inacceptable économiquement, et c'est la conséquence directe de l'échelle des décibels : arrêter la moitié des machines ne fait gagner que 3 dB, ce qui est à peine perceptible.

4. Chaque presse capotée émet \(83 - 10 = 73\ \text{dB(A)}\). Les 8 ensemble : \(73 + 9 = \mathbf{82\ \text{dB(A)}}\).
L'objectif est atteint avec toutes les machines en marche, et même avec 10 dB de marge par rapport aux 92 dB de départ.
Comparaison : agir à la source (capotage, plots anti-vibration, entretien) est bien plus efficace qu'agir sur le nombre de sources. C'est exactement l'ordre de priorité imposé par le Code du travail : réduire d'abord le bruit à la source et par des mesures collectives, la protection individuelle ne venant qu'en dernier recours.

5. L'erreur : le décibel n'est pas une grandeur qui s'additionne — c'est un repère sur une échelle, et doubler le nombre de sources n'ajoute que 3 dB, jamais 83.
Ordres de grandeur réels : seuil de douleur 120 dB, décollage d'un avion à quelques dizaines de mètres 130 dB environ. Un résultat de 664 dB n'a aucune existence physique : c'est le signe qu'on a additionné ce qui ne s'additionne pas. ✓

Exercice 3-13 Les infrasons d'une éolienne — ce que la physique dit et ne dit pas Approfondissement

Un projet de parc éolien suscite un débat dans une commune. Des riverains évoquent les infrasons produits par le passage des pales devant le mât. Un bureau d'études fournit les relevés suivants.

Nombre de pales3
Fréquence de rotation du rotor12 tr/min
Niveau mesuré chez le riverain le plus proche (500 m)38 dB(A)
Bruit de fond mesuré éoliennes à l'arrêt33 dB(A)
Émergence maximale admise en journée+5 dB(A)
Célérité du son dans l'air340 m/s

1. Calculer la fréquence de passage des pales devant le mât.

2. Ce signal est-il audible par l'oreille humaine ? Justifier à partir des domaines du cours.

3. Calculer la longueur d'onde correspondante dans l'air.

4. Comparer cette longueur d'onde à l'épaisseur d'un mur (0,20 m) puis à la hauteur d'une maison (6 m). En déduire ce qu'on peut attendre d'une isolation de façade vis-à-vis de ce signal.

5. L'émergence mesurée est-elle conforme ? Rédiger la conclusion avec la prudence qu'imposent des valeurs aussi proches.

6. Un tract affirme : « les éoliennes rendent malades à cause de leurs infrasons ». Indiquer ce que les calculs précédents permettent d'affirmer, et ce qu'ils ne permettent pas de trancher.

1. Fréquence de rotation : \(12 \div 60 = 0{,}20\ \text{tr/s}\). Les 3 pales passent une fois chacune par tour :
\(f = 3 \times 0{,}20 = \mathbf{0{,}60\ \text{Hz}}\).

2. \(0{,}60\ \text{Hz} \lt 20\ \text{Hz}\) : c'est un infrason, donc non audible par l'oreille humaine. Il n'est d'ailleurs pas pris en compte par la mesure en dB(A), qui pondère précisément le signal selon la sensibilité de l'oreille et écrase les très basses fréquences.

3. \(\lambda = \dfrac{v}{f} = \dfrac{340}{0{,}60} \approx \mathbf{570\ \text{m}}\) (arrondi à la dizaine de mètres).

4. \(\dfrac{570}{0{,}20} = 2\,850\) et \(\dfrac{570}{6} = 95\) : la longueur d'onde est près de 3 000 fois l'épaisseur d'un mur et 95 fois la hauteur d'une maison.
Une onde aussi longue « ne voit » pas la maison comme un obstacle : elle la met en vibration dans son ensemble et la contourne. Aucune isolation de façade ne peut arrêter un tel infrason — c'est le même mécanisme, poussé à l'extrême, que celui qui laisse passer les basses du voisin à travers une cloison. Renforcer l'isolation atténuerait la partie audible du bruit, pas cette composante-là.

5. Émergence : \(38 - 33 = \mathbf{5\ \text{dB(A)}}\), soit exactement la valeur maximale admise : la situation est à la limite de la conformité, sans marge.
Prudence nécessaire : un sonomètre a une incertitude de l'ordre du décibel, le bruit de fond dépend du vent, de la saison et de l'heure, et la mesure porte sur une durée donnée. Conclure « conforme » sur un seul relevé serait abusif : il faut plusieurs campagnes, dans différentes conditions de vent, et une mesure nocturne (où la limite est plus sévère, +3 dB(A)).

6. Ce que les calculs permettent d'affirmer : le signal à 0,60 Hz existe bien ; il est inaudible ; sa longueur d'onde de 570 m fait qu'aucune isolation de façade ne l'arrête ; le niveau audible mesuré est à la limite réglementaire.
Ce qu'ils ne permettent pas de trancher : l'existence d'un effet sur la santé. Un infrason inaudible n'est pas automatiquement inoffensif, mais « non arrêté par un mur » ne signifie pas non plus « nocif » : il faudrait connaître le niveau de cet infrason (que le relevé ne donne pas) et disposer d'études médicales comparant des populations exposées et non exposées. La physique décrit le signal ; elle ne décide pas à la place de la médecine. Affirmer comme nier sans ces données relève de l'opinion, pas de la démarche scientifique. ✓

Exercice 3-14 Lire le test auditif d'un ouvrier de 55 ans Approfondissement

Un salarié de 55 ans, qui travaille en atelier depuis trente ans, passe un test auditif à la médecine du travail. Le tableau donne, pour chaque fréquence, sa perte auditive — c'est-à-dire le nombre de décibels qu'il faut ajouter pour qu'il perçoive le son — et la perte moyenne d'une personne du même âge n'ayant pas été exposée au bruit.

Fréquence (Hz)5001 0002 0004 0008 000
Perte mesurée (dB)1015305545
Perte moyenne à 55 ans, sans exposition (dB)55102030

1. Indiquer à quelles fréquences la perte est la plus forte. S'agit-il de sons plutôt graves ou plutôt aigus ?

2. Calculer, pour chaque fréquence, l'écart entre la perte mesurée et la perte moyenne. Repérer la fréquence où cet écart est maximal.

3. Ce « creux » est caractéristique d'un traumatisme sonore d'origine professionnelle. Proposer une explication en lien avec les machines de l'atelier.

4. Calculer la longueur d'onde dans l'air des sons à 500 Hz et à 4 000 Hz.

5. Les voyelles portent leur énergie entre 250 et 1 000 Hz, les consonnes (s, f, ch, t) entre 2 000 et 6 000 Hz. Expliquer pourquoi ce salarié dit : « j'entends bien, mais je ne comprends pas ce qu'on me dit ».

6. Rédiger trois conseils argumentés pour un apprenti qui entre à l'atelier cette année.

1. Les pertes les plus fortes sont à 4 000 Hz (55 dB) et 8 000 Hz (45 dB). Ce sont les fréquences les plus élevées du tableau : la perte touche donc surtout les sons aigus, tandis que les graves (500 et 1 000 Hz) sont relativement épargnés.

2. Écart = perte mesurée − perte moyenne :
500 Hz : \(10 - 5 = 5\ \text{dB}\) · 1 000 Hz : \(15 - 5 = 10\ \text{dB}\) · 2 000 Hz : \(30 - 10 = 20\ \text{dB}\) · 4 000 Hz : \(55 - 20 = 35\ \text{dB}\) · 8 000 Hz : \(45 - 30 = 15\ \text{dB}\).
L'écart est maximal à 4 000 Hz. Le vieillissement seul n'explique donc pas ce que montre le test : il manque 35 dB qui lui sont propres.

3. L'oreille interne est particulièrement fragile autour de 4 000 Hz, et c'est aussi dans cette zone que les machines d'atelier émettent beaucoup : sifflement des scies et défonceuses, grincement des roulements, chocs métalliques, air comprimé. Trente ans d'exposition quotidienne à des niveaux dépassant 85 dB(A) détruisent progressivement les cellules sensorielles de cette zone. La perte est irréversible : ces cellules ne se régénèrent pas. Le creux à 4 000 Hz est si typique qu'il sert de signature au dépistage de la surdité professionnelle.

4. \(\lambda = \dfrac{v}{f}\) avec \(v = 340\ \text{m/s}\) :
À 500 Hz : \(\lambda = \dfrac{340}{500} = \mathbf{0{,}68\ \text{m}}\).
À 4 000 Hz : \(\lambda = \dfrac{340}{4\,000} = \mathbf{0{,}085\ \text{m}}\), soit 8,5 cm.

5. Les voyelles (250–1 000 Hz) tombent dans la zone où sa perte est faible (5 à 15 dB) : il les perçoit presque normalement, et comme ce sont elles qui portent l'essentiel de l'énergie de la parole, il a bien l'impression d'« entendre ».
Les consonnes (2 000–6 000 Hz) tombent en plein dans le creux (30 à 55 dB de perte) : or ce sont elles qui distinguent les mots — « poisson » et « poison », « chat » et « chas ». Privé des consonnes, il reçoit un son de parole sans l'information qui permet de le décoder : d'où « j'entends, mais je ne comprends pas ». C'est aussi pourquoi parler plus fort ne l'aide guère : il faut parler plus distinctement, de face, et réduire le bruit de fond.

6. Trois conseils argumentés :
Porter les protecteurs dès 85 dB(A), et pendant toute la durée d'exposition. Les retirer « juste cinq minutes » ruine une grande part du bénéfice, car la dose reçue augmente très vite avec le niveau.
Exiger que le bruit soit réduit à la source. Capotage, entretien des roulements, plots anti-vibration, outils moins bruyants : c'est plus efficace qu'un EPI, et c'est l'ordre de priorité imposé par la réglementation.
Passer les tests auditifs et ne pas ignorer les signaux d'alerte. Un sifflement après la journée de travail, ou une conversation qui devient difficile dans le bruit, sont les premiers signes. Détectée tôt, l'exposition peut être corrigée ; la perte déjà installée, elle, ne se rattrape jamais. ✓

Exercice 3-15 Localiser une fuite sur une conduite enterrée Approfondissement

Un réseau de chaleur perd de l'eau. Plutôt que d'ouvrir la chaussée au hasard, le technicien utilise un corrélateur acoustique : la fuite produit un bruit continu qui se propage dans la conduite. Deux capteurs, placés dans les regards situés aux extrémités d'un tronçon droit de 240 m, enregistrent ce bruit. L'appareil indique que le signal parvient au capteur A avec 0,050 s d'avance sur le capteur B.

Longueur du tronçon (regard A → regard B)240 m
Écart des temps d'arrivée0,050 s (A avant B)
Célérité du bruit dans la conduite en eau1 200 m/s
Célérité du son dans l'air340 m/s

1. On note \(d_A\) et \(d_B\) les distances de la fuite à chaque capteur. Écrire la relation qui lie \(d_A\), \(d_B\) et la longueur du tronçon.

2. Exprimer la différence \(d_B - d_A\) à partir de l'écart des temps d'arrivée, puis la calculer.

3. En déduire \(d_A\) et \(d_B\), puis vérifier les deux résultats.

4. Le technicien règle par erreur son appareil sur la célérité du son dans l'air. Déterminer la position qu'il obtiendrait et l'écart avec la position réelle. Commenter les conséquences sur le chantier.

5. Proposer une vérification simple à mener avant d'ouvrir la chaussée.

1. La fuite se trouve sur le tronçon, entre les deux capteurs : les deux distances se complètent.
\(d_A + d_B = \mathbf{240\ \text{m}}\).

2. Le bruit part de la fuite au même instant vers les deux capteurs et se propage à la même célérité. S'il arrive en A avec 0,050 s d'avance, c'est que le trajet vers B est plus long, et que le supplément de trajet a été parcouru pendant ces 0,050 s :
\(d_B - d_A = v \times \Delta t = 1\,200 \times 0{,}050 = \mathbf{60\ \text{m}}\).

3. On dispose de \(d_A + d_B = 240\) et \(d_B - d_A = 60\). En additionnant les deux relations : \(2\,d_B = 300\), donc \(d_B = \mathbf{150\ \text{m}}\), et \(d_A = 240 - 150 = \mathbf{90\ \text{m}}\).
Vérification : \(90 + 150 = 240\) ✓ et \(150 - 90 = 60\) ✓.
La fuite se situe à 90 m du regard A.

4. Avec 340 m/s : \(d_B - d_A = 340 \times 0{,}050 = 17\ \text{m}\), d'où \(2\,d_B = 240 + 17 = 257\), \(d_B = 128{,}5\ \text{m}\) et \(d_A = \mathbf{111{,}5\ \text{m}}\).
Écart avec la position réelle : \(111{,}5 - 90 = \mathbf{21{,}5\ \text{m}}\).
Conséquence : une tranchée ouverte 21,5 m trop loin — c'est-à-dire une fouille inutile, une chaussée à refaire, plusieurs jours perdus, et la fuite toujours là. L'erreur de principe est la même que pour tout contrôle par ultrasons : il faut la célérité du milieu réellement traversé. Ici l'onde voyage dans l'eau de la conduite, pas dans l'air : prendre 340 m/s divise par plus de 3 l'écart de distance calculé et déplace le point trouvé vers le milieu du tronçon.

5. Vérifications simples et justifiées :
Refaire la mesure en permutant les capteurs ou en la répétant plusieurs fois : on doit retrouver la même position, avec un écart de temps de signe opposé.
Vérifier la longueur réelle du tronçon sur le plan de réseau, et s'assurer qu'il est bien rectiligne et de section constante : un coude ou un piquage allonge le trajet réel et fausse le calcul.
Contrôler la valeur de célérité retenue dans l'appareil pour le matériau et le diamètre de la conduite (fonte, acier, PEHD ne donnent pas la même valeur).
Confirmer au sol avec un microphone de sol au point calculé avant de creuser : 90 m sur un plan, c'est une position à retrouver précisément sur le terrain. ✓