| Chap. N° 02 | Caractéristiques des ondes. Cours. | 
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| III- Caractéristiques des 
	  ondes sonores et ultrasonores. | 
| IV- Application | 
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	   a)- Exercice 6 page 50. Connaître 
				les ondes progressives. b)- Exercice 7 page 50. Déterminer 
				une vitesse de propagation c)- Exercice 11 page 51. Exploiter 
				une expérience. d)- Exercice 12 page 51. Connaître 
				la double périodicité. e)- Exercice 16 page 52. Exploiter 
				des spectres sonores. f)- Exercice 19 page 52. Incertitude 
				sur la mesure. g)- Exercice 26 page 54. À chacun 
				son rythme. h)- Exercice 29 page 55. Accorder 
				une guitare avec un diapason. i)- Exercice 34 page 58. L’oreille 
				humaine en concert. | 
- On fait tomber un objet dans l’eau et on enregistre le mouvement observé.
-  On observe le 
				déplacement d’une ride circulaire.
- Le milieu de propagation de la perturbation est le plan d’eau ; c’est un milieu à deux dimensions.
-  La perturbation se 
				déplace dans toutes les directions à partir du point source S. 
				 
- Un point de la surface de l’eau s’élève lors du passage de la perturbation et reprend sa position initiale.
-  On est en 
				présence d’une onde transversale.
- 
				On fait tomber une goutte d’eau et on observe la 
				propagation du déplacement d’une ridule circulaire à partir du 
				point d’impact de la goutte.
b)- Compression des spires d’un ressort :
- Un ressort est tendu horizontalement.
- On comprime quelques spires à une extrémité, puis on lâche brusquement.
-  On observe le déplacement 
				de la compression le long du ressort.
- 
				Le milieu de propagation est unidimensionnel, la 
				direction de propagation est l’axe du ressort.  
- Une spire du ressort se déplace parallèlement à l’axe du ressort et reprend sa position d’équilibre après le passage de la perturbation.
-  On est en présence d’une onde longitudinale.
- Propagation de la perturbation :
-  
				On observe le 
				déplacement de la perturbation, ici une zone où les spires du 
				ressort sont plus resserrées (zone compressée).
c)- 
				Propagation d’une perturbation le long d’une corde : 
				 
- 
				On soumet une corde horizontale à une brusque secousse 
				verticale.  
- 
				On observe le déplacement de la perturbation le long de 
				la corde.
- 
				Le milieu de propagation est unidimensionnel, la 
				direction de propagation est la corde.  
- 
				La perturbation se déplace le long de la corde sans 
				transport de matière.  
- 
				La déformation a lieu perpendiculairement à la direction 
				de propagation.  
- 
				On est en présence d’une onde transversale.
- 
				Le phénomène de propagation d’une perturbation dans un 
				milieu est appelé onde progressive.
- 
				Une onde progressive correspond au déplacement d’une 
				perturbation dans un milieu.
► 
				Remarque :
- 
				Certaines ondes ont besoin d’un milieu matériel pour se 
				propager, ce sont les ondes mécaniques.  
- 
				D’autres n’ont pas besoin d’un milieu matériel pour se 
				propager, ce sont les ondes électromagnétiques.
- 
				Une onde progressive qui se propage dans une seule 
				direction est appelée onde progressive à une dimension.
- 
				La corde, le ressort et l’eau constituent des milieux 
				matériels.  
- 
				Dans chaque cas, on crée une perturbation et on observe 
				le déplacement d’une onde mécanique progressive.
- 
				Une perturbation correspond à la variation d’une 
				propriété mécanique des points d’un milieu matériel.
- Une onde mécanique correspond à la propagation d’une perturbation dans un milieu matériel sans transport de matière.
-  C’est pour cela que l’on dit qu’un mobile se déplace alors 
				qu’une onde se propage.
- 
				La propagation de l’onde mécanique peut se faire dans des 
				milieux à une, deux ou trois dimensions.
- 
				La direction dans laquelle se propage la perturbation est 
				la direction de propagation de l’onde.
- Après le passage de la perturbation, chaque point du milieu matériel reprend sa position initiale.
-  On dit que le 
				milieu matériel est élastique.
- 
				Onde longitudinale :  
| - 
				Onde longitudinale :   - La direction de déplacement temporaire de la matière et la direction de propagation de l'onde sont les mêmes. - 
						On parle 
				aussi d'ondes de compression : elles créent de proche en proche des ondes de compression - détente du milieu de 
				propagation.   - 
				Elles vibrent parallèlement à leur direction de 
				propagation (cas du ressort) | 
- 
				Onde transversale :  
| - 
				Onde transversale :   - 
				Une onde est transversale lorsque la déformation du 
				milieu de matériel a lieu perpendiculairement à la direction de 
				propagation de la perturbation.   - 
				C’est le cas de la corde : la direction de propagation de 
				l’onde est celle de la corde (horizontale) et la déformation de 
				la corde a lieu perpendiculairement à la corde. - 
				La direction de déplacement temporaire de la matière et 
				la direction de  
				propagation de l'onde sont perpendiculaires. 
				  - On parle aussi d'ondes de cisaillement. -  Elles vibrent 
				perpendiculairement à leur direction de propagation (cas de la 
				corde) | 
- 
				La célérité d’une onde mécanique dépend du milieu de 
				propagation.  
- 
				C’est une caractéristique du milieu de propagation. 
				 
- 
				Elle ne dépend pas de l’amplitude de la déformation.
- 
				La célérité est le quotient de la distance parcourue sur 
				la durée de parcours.
- 
				
				
4)- Notion de retard et 
				d’élongation.
a)- 
				Mise en évidence du retard :  
- 
				On considère la propagation d’une perturbation le long 
				d’une corde horizontale.
- 
				Dans un premier temps, on crée la perturbation au point
				
				S de la corde. 
				 
- 
				La source  S monte pendant la durée 
				 Δt1 
				puis redescend pendant la durée  Δt2.
- 
				Le mouvement de  S est un mouvement rectiligne 
				vertical.
- 
				On repère la direction de propagation de l’onde à l’aide 
				de l’axe  (x’x) et on repère la position de la source 
				 S 
				grâce à l’axe  (y’y).
- 
				La perturbation, créée au point  
				S de la corde au 
				temps  t0, se propage de proche en proche. 
				 
- 
				Elle atteint le point  
				M, puis le point  
				M’ 
				du milieu matériel.  
- 
				Chaque point du milieu matériel reproduit la perturbation 
				de la source  S (on suppose que la perturbation se propage 
				sans amortissement).  
- 
				La perturbation au point  
				M reproduit la 
				perturbation de la source  S avec un retard 
				 τ, car 
				la perturbation met un certain temps pour progresser de  
				S 
				à  M.
- 
				Le retard  τ 
				 est la durée mise par l’onde pour se 
				propager de  S à 
				 M :
				
- 
				En conséquence, si  
				v est la célérité de l’onde et
				
				SM la distance parcourue par l’onde : 
				 
- 
				
- 
				Si on repère chaque point de la corde par son abscisse 
				 
				x, la source  
				S est située à l’origine des abscisses :
- 
				L’abscisse du point  
				M est notée : 
				 xM.
- 
				Le mouvement d’un point  
				M situé à la distance 
				 xM 
				de la source est le même que celui de la source avec un retard : 
				 
- 
				
- 
				La courbe représentant le mouvement de 
				 M en 
				fonction du temps est la même que celle de la source décalée de 
				la durée  τ.
- 
				Si  yS 
				 (t), représente la position de la 
				source au cours du temps, le mouvement de  
				M est  
				yM
				
				 (t),
- 
				Avec :  yM (t) = 
				 yS 
				(t –  
				τ) car l’onde se propage de 
				 S vers 
				 
				M.
► 
				Élongation lors d’un passage d’une perturbation :
- 
				On appelle élongation d’un point du milieu matériel, la 
				position, qu’il occupe lors du passage de la perturbation, par 
				rapport à sa position au repos.
- 
				On crée une onde mécanique progressive sur une corde en 
				produisant, à son extrémité  S, une perturbation très 
				brève à l’instant  t = 0 s. 
				 
- 
				L’onde se propage sur la corde avec la célérité 
				 v 
				=  
				► 
				Le point  M situé à 
				 
- 
				Chaque point de la corde reproduit la perturbation créée 
				en  S avec un retard 
				 τ.
- L’onde se propage du point S (la source) vers le point M.
-  Pour le point 
				 M situé à la distance 
				 SM 
				=  
- 
				
- 
				Le point  M effectue un mouvement à la date 
				 t 
				=  t0 + 
				 τ, en conséquence à la date 
				 t 
				= 2,0 s.  
- 
				Comme la durée de la perturbation est brève, on peut 
				considérer que le point  M n’est plus en mouvement à la 
				date  t = 2,5 s.
				► 
				Même question pour le point  
				N placé à  
- L’onde se propage du point S (la source) vers le point N.
-  Pour le point 
				 N situé à la distance 
				 SN 
				=  
- 
				
- 
				Le point  N effectue un mouvement à la date 
				 t 
				=  t0 + 
				 τ, 
				c'est-à-dire  à la date 
				 t 
				= 3,0 s.  
- 
				En conséquence, à la date  
				t = 2,5 s, la 
				perturbation n’a pas atteint le point  N. 
				 
- 
				Il n’est pas en mouvement.
c)- 
				Exemple 2 : Mesure d’un retard à l’oscilloscope.
- On observe l’écran de l’oscilloscope lorsque l’émetteur est en mode salve
- Une salve ultrasonore est une perturbation sonore de fréquence supérieure à 20 kHz séparée par une durée réglable.
- 
				Lorsque le récepteur est en position 1 (graduation zéro) 
				on observe l’oscillogramme 1.
- 
				Lorsque le récepteur est en position 2, on observe 
				l’oscillogramme 2.
- 
				Position 2 :
 
 
- 
				On donne les réglages de l’oscilloscope : 
				 
				
				 Grâce à la durée de balayage de l’oscilloscope, 
				déduire la valeur du retard  τ.
 
				Grâce à la durée de balayage de l’oscilloscope, 
				déduire la valeur du retard  τ.
- 
				Retard mesuré à l’aide de l’oscilloscope :
- 
				Δt = 
				 τ = 
				 s .  x
- 
				Δt = 
				 τ ≈ 0,500
				
				× 1,00
- 
				Δt = 
				 τ ≈ 0,500 ms
- 
				Δt = 
				 τ ≈ 5,00
				
				× 10 – 4  s
				II-
				
				Onde progressive périodique.
a)- 
				Onde progressive périodique :
| - 
				Définition :   - Une onde progressive est périodique si la perturbation qu’elle engendre se reproduit de manière identique à intervalles 
				de temps égaux, appelés période, notée  
				T. - 
				La période  T des oscillations est la durée d’une 
				oscillation complète.   - 
				Cette durée s’exprime en seconde s. - 
				La fréquence  f 
				 du phénomène représente le nombre 
				de période par seconde.   - 
				C’est l’inverse de la période  
				T. - 
				 - 
				La fréquence  f s’exprime en hertz : Hz. | 
b)- 
				Onde progressive sinusoïdale :
- 
				Une onde progressive est sinusoïdale lorsque l’élongation 
				de tout point du milieu de propagation est une fonction 
				sinusoïdale du temps.
- 
				Une onde progressive sinusoïdale est périodique.
- 
				La période  T des oscillations est la durée d’une 
				oscillation complète.  
				 Visualisation d’une onde ultrasonore à l’écran 
				d’un oscilloscope :
 
				Visualisation d’une onde ultrasonore à l’écran 
				d’un oscilloscope :
| L’émetteur (émetteur d’onde ultrasonore) est relié à la voie 
							YA de l’oscilloscope   Le récepteur est relié à la 
							voie YB de l’oscilloscope | 
| Oscillogramme d’une tension périodique sinusoïdale de période 
							T. | 
c)- 
				Formulation mathématique de l’onde mécanique 
				sinusoïdale :  
- 
				L’évolution de l’élongation,  
				x (t), au 
				cours du temps est donnée par une fonction de la forme 
				suivante :
- 
				x (t) = 
				 Xmax 
				 . cos (2π /
				
				T + Ф)
| 
 | x (t) est 
							l’élongation au temps t | 
| Xmax est 
							l’amplitude de la perturbation | |
| Ф est la phase à l’origine des 
							dates en radian (rad) | |
| 
							 | 
- 
				Une onde progressive est sinusoïdale lorsque l’élongation 
				de tout point du milieu de propagation est une fonction 
				sinusoïdale du temps.
- 
				On est en présence d’une onde progressive périodique.
				
► 
				Mise en évidence :  
- 
				À l’extrémité  S 
				 de la lame d’un vibreur, on 
				attache une corde élastique, puis on met le vibreur en 
				mouvement.
- 
				La perturbation périodique se propage le long de la corde 
				jusqu’au point  B.
				
- 
				On place du coton au point  
				B pour amortir le 
				phénomène et éviter la réflexion de l’onde.
- 
				Une onde progressive périodique se propage le long de la 
				corde.
- 
				Cette onde possède une périodicité temporelle 
				 T.
- 
				On peut étudier le mouvement de chaque point de la corde 
				de deux façons :
- 
				On peut effectuer un enregistrement vidéo et faire une 
				observation au ralenti.
- 
				On peut effectuer une observation stroboscopique. 
				 
- Un stroboscope est un appareil qui délivre des éclairs très brefs à intervalle de temps régulier réglable.
-  Il permet 
				d’immobiliser le phénomène et de l’observer au ralenti.
- On éclaire la corde avec un stroboscope et on règle la fréquence des éclairs du stroboscope afin d’observer une corde immobile.
-  Si on augmente légèrement la fréquence des éclairs, on 
				peut observer le mouvement au ralenti d’un point marqué d’un 
				repère.
- 
				Lorsque la corde est immobile, tous les points de la 
				corde effectuent entre deux éclairs consécutifs une ou plusieurs 
				oscillations complètes.
- 
				En conséquence, tous les points de la corde vibrent avec 
				la même fréquence que la source et tous les points de la corde 
				effectuent le même mouvement que la source.
- L’onde progressive possède une périodicité temporelle.
-  La 
				source et chaque point de la corde atteint par l’onde vibrent 
				avec la même période  T.
- 
				Animation :
				
- On utilise l’éclairage stroboscopique et on immobilise la corde.
-  Certains points  M1, 
				 M2,
				
				M3… ont exactement le même mouvement à chaque 
				instant.  
- 
				Ils sont dans le même état physique. 
				 
- 
				Ils passent à leur position d’équilibre ou à leur 
				écartement maximal aux mêmes instants.  
- On dit que les points M1, M2, M3. …vibrent en phase.
-  Ils sont dans le même 
				état vibratoire.
- 
				La distance qui sépare les points  M1 
				et  M2 d’une part, 
				 M2 et 
				 M3
				
				d’autre part est la même.
- 
				C’est une grandeur caractéristique de l’onde.
- 
				On l’appelle la longueur d’onde, notée 
				 λ, elle 
				s’exprime en mètre (m).
				
3)- Définition de la longueur d’onde
- 
				La longueur d’onde  
				λ  est la distance séparant deux 
				points consécutifs du milieu qui vibrent en phase.
- 
				En conséquence : deux points séparés par une distance 
				 
				d multiple de la longueur d’onde vibrent en phase.
- 
				Si  d est la distance qui sépare deux points qui 
				vibrent en phase alors :  d  
				=  k. 
				 λ avec 
				 k
				Î
				N*
- 
				Il découle de ceci que pendant la durée d’une période 
				 
				T, l’onde parcourt la distance 
				 d égale à la longueur 
				d’onde  λ.
- 
				Si  v  
				représente la célérité de l’onde, on peut 
				écrire la relation liant ces différentes grandeurs.
| 
 λ 
							= v.T | La longueur d’onde λ en 
							mètre (m) | 
| La célérité de l’onde v 
							en (m / s) | |
| La période T en seconde 
							(s) | 
- 
				La longueur d’onde  
				λ est la distance parcourue par 
				l’onde pendant une période  T.
- 
				Une onde progressive périodique possède une double 
				périodicité.  
- 
				Une périodicité temporelle  
				T est une périodicité 
				spatiale  λ.
► 
				Autre écriture :
- 
				Comme la fréquence est l’inverse de la période, on peut 
				écrire la relation fondamentale sous une autre forme :
| 
 | La longueur d’onde λ en 
							mètre (m) | 
| La célérité de l’onde v 
							en (m / s) | |
| La période T en seconde 
							(s) | |
| La fréquence f en hertz 
							(Hz) | 
				
				III-  Caractéristiques des ondes sonores et ultrasonores.
1)- Perception des ondes sonores.
- 
				L’oreille humaine normale perçoit les ondes sonores dont 
				les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz.
- 
				Les ondes sonores de fréquences  
				f < 20 Hz sont 
				appelées infrasons.
- 
				Les ondes sonores de fréquences  
				f > 20 kHz sont 
				appelées ultrasons.
				 
 
a)- 
				Exemple : Son produit par une guitare.
- 
				Le spectre d’un son produit par une guitare est 
				périodique, mais n’est pas sinusoïdal.
- 
				La guitare émet un son complexe alors que le 
				GBF produit 
				un signal pur, un signal sinusoïdal.
- 
				Enregistrement réalisé avec le logiciel Gratuit 
				AUDACITY
Son clair : essai02
Son distordu : essai03
b)- 
				Spectre en fréquences
- 
				Un son complexe est formé d’une superposition de 
				vibrations sinusoïdales ayant des amplitudes et des fréquences 
				différentes.
- 
				En 1822, le mathématicien français Joseph FOURIER a 
				montré que :
- 
				Tout signal périodique de fréquence  
				f1 
				peut être décomposé en une somme de signaux sinusoïdaux de 
				fréquences  fn multiples de 
				 f1.
- 
				Avec  fn = 
				 n.f1 
				et  n
				Î
				N*
- 
				La fréquence  f1 
				 est appelée le 
				fondamental.
- 
				Les fréquences 2 f1, 3 f1, 
				…,  n.f1 
				 sont appelées  
				harmoniques.
- 
				L’analyse spectrale d’un son permet d’en obtenir le 
				spectre en fréquences.
- 
				Le spectre en fréquences d’un son est la représentation 
				graphique de l’amplitude de ses composantes sinusoïdales en 
				fonction de la fréquence.
► 
				Cas du son distordu :
- 
				Le spectre en fréquences du son distordu émis par une 
				guitare montre plusieurs pics de fréquences :
- 
				f1 
				 ≈ 587 Hz. C’est la fréquence du 
				 
				fondamental, le ré3.
- 
				2  f1, la première 
				 harmonique, 
				puis, 2  f1 et 6 
				 f1.
c)- 
				La hauteur et le timbre.
- 
				La hauteur d’un son :
- 
				Plus la fréquence d’un son est faible et plus le son est 
				grave ou bas.
- 
				Plus la fréquence d’un son est élevée et plus le son est 
				aigu ou haut.
- 
				Le timbre d’un son :
- 
				Le timbre d’un son dépend du nombre et de l’amplitude des 
				harmoniques qui sont présents.
- 
				Deux sons de même hauteur émis par des instruments 
				différents ne sont pas perçus de la même manière, car les 
				harmoniques, associées au fondamental, sont différentes.
- 
				L’analyse spectrale d’un son musical permet de 
				caractériser :
- 
				La hauteur du son est liée à la fréquence 
				 f1du 
				fondamental
- 
				Le timbre du son est lié au nombre et à l’amplitude des 
				harmoniques présentes.
- 
				Analyse de la fréquence réalisée avec le logiciel 
				AUDACITY :
d)- 
				Signaux délivrés par un GBF relié à un haut-parleur : : 
				 
- 
				Le signal triangulaire :  
- 
				Le signal « carré » :
3)- Le niveau d’intensité sonore.
- 
				L’intensité sonore, notée  
				I, caractérise 
				l’intensité du signal reçue par l’oreille.
- 
				Elle s’exprime en watt par mètre carré : W / m2 
				ou W. m–2
- 
				L’oreille humaine normale perçoit les signaux sonores 
				dont l’intensité est comprise entre
- 
				Une valeur minimale  
				I0 = 1,0
				
				× 10–12 W. m–2 (seuil d’audibilité)
- 
				Et une valeur maximale  
				Imax = 25 W. m–2 
				(seuil de douleur).
- Comme l’écart entre ces deux valeurs est très grand, on a créé une nouvelle grandeur, qui utilise une échelle logarithmique :
- appelée le niveau d’intensité sonore, notée L.
- 
				Relation mathématique :  
| 
 | Le niveau d’intensité sonore 
							L s’exprime en décibel (dB) | 
| I caractérise 
							l’intensité du signal en W. m–2 | |
| I0 = 1,0
							 
							
							× 10–12 W. m–2 
							(seuil d’audibilité) | 
- 
				La notation  log fait référence à la fonction 
				logarithme décimal.
- 
				Ainsi, l’échelle de niveau d’intensité sonore 
				 L 
				varie de 0 dB à environ 140 dB.
- 
				Alors que l’intensité sonore  
				I varie de  
				I0 
				= 1,0
				
				
				x 10–12 W. m–2 à 102 W. 
				m–2
► 
				Quelques propriétés de la fonction logarithme 
				décimal :
- 
				log 1 = 0, log 10 = 1, log 10 
				n =  
				n, 
				log 10  –n 
				= –n
- 
				
- 
				
- 
				
				
- 
				Échelle des niveaux d’intensité sonore 
				 L :
► 
				Remarque :
- Lorsque plusieurs instruments de musique jouent ensemble, les intensités sonores I dues à chaque instrument s’ajoutent,
-   alors que les niveaux d’intensité sonore  
				L ne 
				s’ajoutent pas.
				1)- QCM.
| 
	   
	  				   | 
				
a)- Exercice 6 page 50. Connaître 
				les ondes progressives.
b)- Exercice 7 page 50. Déterminer 
				une vitesse de propagation
c)- Exercice 11 page 51. Exploiter 
				une expérience.
d)- Exercice 12 page 51. Connaître 
				la double périodicité.
e)- Exercice 16 page 52. Exploiter 
				des spectres sonores.
f)- Exercice 19 page 52. Incertitude 
				sur la mesure.
g)- Exercice 26 page 54. À chacun 
				son rythme.
h)- Exercice 29 page 55. Accorder 
				une guitare avec un diapason.
i)- Exercice 34 page 58. L’oreille 
				humaine en concert.
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