Décrire la nature physique d’un son et ses conditions de propagation.
Déterminer la période ou la fréquence d’un son pur, identifier infra/ultra/sons audibles et relier fréquence à hauteur.
Définir le niveau sonore en dB et citer les seuils d’audibilité et de danger.
Calculer une longueur d’onde \(\lambda\) et une distance ou une durée avec \(v = d/t\).
Relier les propriétés acoustiques aux exigences de sécurité en atelier et sur chantier.
Situation professionnelle — Protection auditive en atelier
Sur un chantier, un ouvrier utilise une meuleuse d’angle qui produit un niveau sonore de 95 dB : il doit choisir des protections auditives adaptées (casque ou bouchons) en comparant leur atténuation aux valeurs réglementaires, et comprendre quelles fréquences sont les plus dangereuses pour l’audition.
1. Nature d’un son
Définition
Un son est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) sous forme d’onde de pression. Il crée des zones alternant compression (surpression) et dépression (basse pression).
Pas de son dans le vide
Le son ne peut pas se propager dans le vide, car il n’existe pas de milieu matériel pour transmettre les vibrations. Contrairement à la lumière, le son a besoin d’un support.
Production d’un son
Tout objet en vibration produit un son :
Corde vibrante : guitare, violon, piano.
Membrane vibrante : haut-parleur, peau de tambour.
Colonne d’air vibrante : flûte, tuyau d’orgue.
Machine ou outil en fonctionnement : perceuse, meuleuse, marteau-piqueur, ponceuse, scie circulaire.
Application — Chaîne de transmission d'un interphone de chantier
Un chef d'équipe parle dans l'interphone d'un chantier ; un ouvrier l'entend à l'autre poste.
Citer les trois éléments nécessaires à la transmission de ce son.
Expliquer pourquoi ce message ne pourrait pas être transmis si l'ouvrier travaillait dans le vide (par exemple dans l'espace).
Il faut : un émetteur (le haut-parleur de l'interphone qui met l'air en vibration), un milieu de propagation (l'air entre les deux postes) et un récepteur (l'oreille de l'ouvrier ou le micro).
Dans le vide, il n'y a aucun milieu matériel pour transmettre les vibrations : sans matière, aucun son ne se propage.
Émetteurs et capteurs piézoélectriques
Pour produire ou détecter un son sans pièce mécanique en mouvement, on utilise un composant piézoélectrique (une petite pastille de céramique) :
en émetteur : on lui applique une tension électrique alternative ; la pastille se déforme au rythme de cette tension et met l’air en vibration. C’est le principe du buzzer d’alarme, de la sonde à ultrasons et du télémètre de chantier.
en capteur (ou récepteur) : c’est l’onde sonore qui déforme la pastille ; celle-ci produit alors une petite tension électrique que l’on peut mesurer. C’est le principe du microphone d’un sonomètre et des sondes de contrôle non destructif.
Un même composant peut donc tenir les deux rôles : c’est ce qui permet à une sonde à ultrasons d’émettre une impulsion, puis d’écouter l’écho qui revient. On retrouve à chaque fois les trois maillons de la chaîne de transmission : émetteur → milieu de propagation → récepteur.
2. La fréquence — hauteur du son
Définition
La fréquence \(f\) est le nombre de vibrations (oscillations) par seconde. Son unité est le hertz (Hz). Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu ; plus elle est basse, plus le son est grave.
Type d’onde
Plage de fréquences
Perception
Infrasons
\(f < 20\,\text{Hz}\)
Non perceptible par l’oreille humaine
Sons audibles
\(20\,\text{Hz} \leq f \leq 20\,000\,\text{Hz}\)
Perceptibles par l’oreille humaine
Ultrasons
\(f > 20\,000\,\text{Hz}\)
Non perceptibles par l’oreille humaine
Exemples de fréquences
Source sonore
Fréquence typique
Voix parlée d’un homme adulte
environ 100 à 150 Hz
Voix parlée d’une femme adulte
environ 150 à 250 Hz
La musical (diapason)
440 Hz
Limite supérieure audition humaine
20 000 Hz
Ultrasons de contrôle non destructif (soudures, béton, bois)
100 kHz à 1 MHz
Application — Ultrasons et contrôle des matériaux
Les ultrasons (fréquences > 20 kHz) sont utilisés en contrôle non destructif (CND) pour détecter des défauts internes dans les matériaux sans les découper : fissures d’une soudure de canalisation, défauts du béton, noeuds ou zones pourries d’une pièce de bois. Un émetteur envoie une impulsion ultrasonore ; le temps de trajet et l’atténuation du signal renseignent sur la qualité du matériau.
Application
Classer les signaux sonores suivants dans la bonne catégorie (infrason, son audible, ultrason) et indiquer s’ils présentent un risque auditif direct :
\(f_1 = 15\,\text{Hz}\) (vibration de la structure d’un bâtiment)
\(f_2 = 440\,\text{Hz}\) (La musical)
\(f_3 = 18\,000\,\text{Hz}\) (sifflement à haute fréquence)
\(f_4 = 500\,\text{kHz}\) (sonde à ultrasons de contrôle non destructif)
\(f_1 = 15\,\text{Hz} < 20\,\text{Hz}\) → infrason, non audible. Pas de risque auditif direct, mais peut provoquer mal de tête et inconfort.
\(f_2 = 440\,\text{Hz}\) → son audible. Risque auditif si le niveau sonore dépasse 85 dB(A).
\(f_3 = 18\,000\,\text{Hz}\) → son audible (juste en dessous de 20 kHz). Audible par les jeunes oreilles ; risque auditif possible selon le niveau.
\(f_4 = 500\,000\,\text{Hz} > 20\,000\,\text{Hz}\) → ultrason, non audible. Pas de risque auditif direct à faible puissance.
La période d’un son
Définition
La période \(T\) d’un son pur est la durée d’une vibration complète, c’est-à-dire la durée du motif qui se répète ensuite à l’identique. Elle s’exprime en secondes (s).
Période et fréquence décrivent la même propriété du son, vues de deux façons : la fréquence compte les vibrations effectuées en une seconde, la période mesure la durée d’une seule vibration. Elles sont donc inverses l’une de l’autre.
\[ f = \frac{1}{T} \qquad \text{et} \qquad T = \frac{1}{f} \]
\(f\) fréquence en hertz (Hz) — \(T\) période en secondes (s). \(T\) doit impérativement être convertie en secondes : 1 ms = 0,001 s.
Méthode — Déterminer la période puis la fréquence
Repérer sur l’écran un motif qui se répète (par exemple d’une crête à la crête suivante).
Mesurer la durée de plusieurs motifs successifs, puis diviser par leur nombre : on obtient \(T\).
Convertir \(T\) en secondes avant tout calcul.
Calculer la fréquence par \(f = 1/T\), en hertz.
Exemple résolu — Bruit du groupe extérieur d’une pompe à chaleur
Un technicien enregistre le bruit du groupe extérieur d’une pompe à chaleur. Sur l’écran, une vibration complète dure \(T = 1{,}6\ \text{ms}\).
Conversion : \(T = 1{,}6\ \text{ms} = 1{,}6 \times 10^{-3}\,\text{s} = 0{,}0016\,\text{s}\).
\[ f = \frac{1}{T} = \frac{1}{0{,}0016} = 625\,\text{Hz} \]
Cette fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz : le bruit est bien audible par les riverains.
Application — Deux bruits d’une chaufferie
Dans la chaufferie d’un immeuble, on relève à l’oscilloscope la durée d’une vibration complète pour deux appareils :
circulateur du réseau d’eau chaude : \(T_1 = 0{,}80\,\text{ms}\) ;
brûleur de la chaudière : \(T_2 = 6{,}4\,\text{ms}\).
Calculer la fréquence \(f_1\) du circulateur et la fréquence \(f_2\) du brûleur.
Lequel de ces deux bruits est le plus grave ? Justifier.
\(f_2 \approx 156\,\text{Hz} < f_1 = 1\,250\,\text{Hz}\) : le bruit du brûleur est donc le plus grave, celui du circulateur le plus aigu. Les deux restent dans le domaine audible (entre 20 Hz et 20 000 Hz).
3. L’amplitude — intensité sonore
Définition
L’amplitude d’une vibration sonore est la valeur maximale de la variation de pression. Plus l’amplitude est grande, plus le son est fort (puissant). On quantifie l’intensité sonore par le niveau sonore \(L\), exprimé en décibels (dB).
Seuils de référence
Seuil / Situation
Niveau sonore \(L\) (dB)
Remarque
Seuil d’audibilité
0 dB
Son le plus faible perceptible
Chuchotement
30 dB
Très calme
Conversation normale
60 dB
Confortable
Ponceuse à bande
95 dB
Zone de danger (EPI obligatoire)
Scie circulaire / table
102 dB
Très dangereux sans protection
Défonceuse / toupie
105 dB
Très dangereux sans protection
Seuil de douleur
120 dB
Dommages immédiats
Valeurs indicatives : le niveau réel dépend du modèle de machine, de l’usage (à vide / en charge) et de l’environnement.
Seuil légal — Danger auditif
En France, le Code du travail prévoit une première valeur d’action à 80 dB(A) pour l’exposition quotidienne LEX,8h, puis une valeur d’action supérieure à 85 dB(A). La valeur limite de LEX,8h est de 87 dB(A), en tenant compte de l’atténuation des protecteurs. L’employeur doit d’abord réduire l’exposition à la source et par des mesures collectives, puis faire utiliser des protecteurs adaptés lorsque c’est nécessaire.
Application — Lire l'échelle des niveaux sonores
Dans un atelier de menuiserie, une ponceuse à bande atteint 95 dB et une scie circulaire 102 dB. Le seuil au-delà duquel le port des protecteurs auditifs est obligatoire est de 85 dB(A).
Ces deux machines dépassent-elles le seuil d'obligation du port des protections ?
De combien de décibels le niveau de la scie circulaire dépasse-t-il ce seuil ?
\(95\,\text{dB} > 85\,\text{dB}\) et \(102\,\text{dB} > 85\,\text{dB}\) : les deux machines dépassent le seuil, le port des protecteurs auditifs est obligatoire.
\(102 - 85 = \mathbf{17\,\text{dB}}\) au-dessus du seuil réglementaire.
Graphique des niveaux sonores en atelier
4. La célérité du son
Définition
La célérité (vitesse de propagation) \(v\) du son dépend du milieu de propagation et de la température. Elle est exprimée en m·s⁻¹.
Milieu
Célérité \(v\) (m/s)
Air à 20 °C
340
Eau à 20 °C
1 500
Bois — sens des fibres (longitudinal)
3 000 à 5 000
Bois — perpendiculaire aux fibres
1 000 à 2 000
Acier
5 000
Verre
5 200
Le bois est un matériau anisotrope : sur une même pièce, le son s’y propage environ 3 fois plus vite dans le sens des fibres que perpendiculairement.
Observation
Le son se propage beaucoup plus vite dans les solides que dans les gaz. C’est pourquoi les vibrations d’une machine se transmettent efficacement à travers les pièces de bois ou les structures métalliques d’un atelier.
\[ v = \frac{d}{t} \]
\(v\) célérité en m/s — \(d\) distance parcourue en m — \(t\) durée de propagation en s
Application
Un éclair est aperçu, puis le tonnerre est entendu 3 s plus tard. La célérité du son dans l’air est \(v = 340\,\text{m/s}\).
Calculer la distance \(d\) entre l’observateur et l’éclair.
Si l’on entend le tonnerre après seulement 0,5 s, à quelle distance se trouve l’éclair ?
\(d = v \times t = 340 \times 3 = \mathbf{1\,020\,\text{m}} \approx 1\,\text{km}\)
\(d = 340 \times 0{,}5 = \mathbf{170\,\text{m}}\) — l’éclair est très proche, situation dangereuse.
5. Applications acoustiques en atelier et dans le bâtiment
Isolation phonique des ateliers
Pour limiter la propagation du bruit entre ateliers ou vers l’extérieur, on utilise :
Des matériaux absorbants (laines minérales, panneaux de mousse) qui dissipent l’énergie sonore.
Des parois lourdes et étanches (doubles cloisons, vitrage feuilleté) qui réfléchissent les ondes.
Des découplages mécaniques (plots anti-vibration sous les machines) pour éviter la propagation des vibrations dans le sol.
Seuils légaux et EPI acoustiques
Réglementation
80 dB(A) : valeur d’exposition inférieure → information et mise à disposition d’EPI.
85 dB(A) : valeur d’exposition supérieure → port des protecteurs auditifs obligatoire.
87 dB(A) : valeur limite d’exposition ne devant jamais être dépassée.
Les EPI acoustiques comprennent : bouchons d’oreilles (jusqu’à −37 dB) et casques anti-bruit (jusqu’à −34 dB). Voir chapitre 01 pour les EPI.
Application — Efficacité d'un casque anti-bruit
Un menuisier utilise une défonceuse qui produit un niveau sonore de 105 dB. Il porte un casque anti-bruit dont l'atténuation annoncée est de 30 dB.
Calculer le niveau sonore perçu à l'oreille sous le casque.
Ce niveau est-il ramené sous le seuil de 85 dB(A) ? L'oreille est-elle protégée ?
Le casque retire 30 dB au niveau reçu : \(105 - 30 = \mathbf{75\,\text{dB}}\).
\(75\,\text{dB} < 85\,\text{dB}\) : le niveau est ramené sous le seuil réglementaire, l'oreille est protégée.
Ultrasons pour tester le bois
Les ultrasons permettent :
La détection de noeuds, fissures et zones déshydratées sans découper la pièce.
La mesure du module d’élasticité du bois (la célérité des ultrasons augmente avec la rigidité).
Le contrôle de qualité des assemblages collés (détection de défaut de collage).
6. Le timbre
Définition
Le timbre est la qualité d’un son qui permet de distinguer deux sources sonores jouant la même note à la même intensité. Il dépend de la forme de l’onde sonore et de la présence d’harmoniques (multiples de la fréquence fondamentale).
Exemple
Un violon et une flûte jouent tous deux le La à 440 Hz. La fréquence fondamentale est identique, mais la forme des vibrations diffère : le violon produit des harmoniques intenses qui donnent un son chaud et riche, la flûte un son plus pur. C’est le timbre qui les différencie.
Retenir
Deux instruments jouant la même note (même fréquence fondamentale) au même niveau sonore se distinguent par leur timbre, c’est-à-dire par la richesse harmonique du signal (présence et intensité des harmoniques).
7. Relation fréquence — longueur d’onde
Définition
La longueur d’onde \(\lambda\) (lambda) est la distance entre deux compressions successives, c’est-à-dire la distance parcourue par l’onde pendant une période. Elle s’exprime en mètres (m).
\[ \lambda = \frac{v}{f} \]
\(\lambda\) longueur d’onde en m — \(v\) célérité en m/s — \(f\) fréquence en Hz
Exemple résolu — La musical 440 Hz dans l’air
\(v = 340\,\text{m/s}\) ; \(f = 440\,\text{Hz}\)
\[ \lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{440} \approx 0{,}77\,\text{m} \]
La longueur d’onde du La 440 Hz dans l’air est d’environ 77 cm.
Exemple — Contrôle par ultrasons dans le bois (500 kHz)
\(v = 4\,000\,\text{m/s}\) ; \(f = 500\,000\,\text{Hz}\)
\[ \lambda = \frac{4\,000}{500\,000} = 0{,}008\,\text{m} = 8\,\text{mm} \]
Cette faible longueur d’onde permet de détecter des défauts de taille millimétrique dans le bois.
Application
Une défonceuse produit un bruit dont la fréquence fondamentale est \(f = 1\,700\,\text{Hz}\). La célérité du son dans l'air est \(v = 340\,\text{m/s}\).
Calculer la longueur d'onde \(\lambda\) de ce son dans l'air.
Ce son est-il grave ou aigu par rapport au La 440 Hz ?
\(\displaystyle \lambda = \frac{v}{f} = \frac{340}{1\,700} = \mathbf{0{,}20\,\text{m}}\) soit 20 cm.
\(f = 1\,700\,\text{Hz} > 440\,\text{Hz}\), donc le son de la défonceuse est plus aigu que le La musical.
8. Tableau de synthèse
Caractéristique
Grandeur physique
Symbole
Unité
Formule
Hauteur
Fréquence
\(f\)
Hz
\(f = 1 / T\) ; \(f = v / \lambda\)
Durée d’une vibration
Période
\(T\)
s
\(T = 1 / f\)
Intensité (force)
Niveau sonore
\(L\)
dB
—
Timbre (qualité)
Forme de l’onde / harmoniques
—
—
—
Propagation
Célérité
\(v\)
m·s⁻¹
\(v = d / t\)
Longueur d’onde
—
\(\lambda\)
m
\(\lambda = v / f\)
9. À retenir
À retenir
Le son est une vibration mécanique : il ne se propage pas dans le vide et il est plus rapide dans les solides que dans l’air.
La fréquence \(f\) (en Hz) détermine la hauteur du son : aigu (haute fréquence) ou grave (basse fréquence). Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz. La période \(T\) (en s) est la durée d’une vibration : \(f = 1/T\) et \(T = 1/f\) — penser à convertir les millisecondes en secondes.
Le niveau sonore \(L\) (en dB) détermine la force du son : au-delà de 85 dB(A) en atelier, le port d’EPI auditifs est obligatoire.
La longueur d’onde se calcule par \(\lambda = v/f\) : plus la fréquence est élevée, plus \(\lambda\) est petite, ce qui permet de détecter des détails fins (ultrasons).
Le timbre permet de distinguer deux instruments jouant la même note : il dépend de la forme de l’onde et de ses harmoniques, pas seulement de \(f\) ou de \(L\).