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Etude des ondes sonores et électromagnétiques

Par Yann le 18/12/2017 Ressources > Physique-Chimie > Seconde > Ondes et phénomènes périodiques > Les Ondes Sonores et Électromagnétiques

Qu’est -ce qu’une onde ?

Une onde correspond à la propagation d’une variation de grandeur physique. Une onde est donc une propagation d’énergie sans transport de matière.

Remarque : il n’y a donc pas de déplacements de matière même si celle-ci peut-être déformée ou éloignée temporairement de sa position d’équilibre lors de la propagation.

Quelles sont les grandeurs physiques qui peuvent varier et engendrer une onde ?

Il peut s’agir simplement d’une déformation transversale comme dans le cas des vagues produites en mer sous l’effet du vent mais aussi lorsqu’une déformation se propage le long d’une corde (ou un fouet par exemple).

Il peut également s’agir  d’une variation de pression comme par exemple lors d’une explosion qui produit une suppression se propageant dans l’air (on parle alors d’onde de choc).

D’autres grandeurs peuvent également se propager telles que les champs magnétiques ou les champs électriques.

Ondes sonores et phénomènes périodiques

Certaines ondes peuvent correspondre à des phénomènes périodiques. 

C’est systématiquement le cas pour des ondes sonores ou  électromagnétiques mais pour la plupart des autres cela dépend de leur source : si cette dernière possède un mouvement ou une variation physique périodique alors l’onde engendrée l’est aussi et possède la même période et donc la même fréquence.

Les ondes peuvent-elles se propager dans le vide ?

Si la grandeur physique qui se propage est liée à un milieu matériel (déformation, surpression, etc…) alors celle-ci ne peut pas se propager dans le vide.

En particulier les ondes sonores ne peuvent se propager que dans l’air, un liquide ou dans un solide.
Le vide spatial, par exemple, ne permet pas de communiquer par la voix (personne ne vous entendra crier !) et une explosion (même celle d’une étoile) ne produit aucun son.

Quelles sont les caractéristiques des ondes ?

 

Qu'est ce qu'une période ? Le mouvement sinusoïdal comprend des périodes

Les ondes peuvent être caractérisées par différents paramètres :

  • La période : qui est le temps qui sépare deux reproductions
  • La fréquence : caractérise le nombre de fois ou le phénomène se répète dans une unité de temps (généralement la seconde)

La période est définie par f = /T avec F en Hertz et T en secondes.

Les ondes sonores

Une onde sonore correspond à la propagation dans un milieu matériel d’une surpression produite de manière périodique par la vibration d’une corde vocale, d’une membrane de haut parleur ou de tout autre objet.

L’oreille humaine est en général capable de percevoir des sons dont la fréquence est comprise entre  20 hertz et 20 kilohertz. Les faibles fréquences correspondent à des sons graves et les fréquences élevées à des sons aigus.

Pour des fréquences inférieures à 20 Hz  on parle d’infrasons tandis que pour des fréquences supérieures à 20 kHz il s’agit d’ultrason.

La vitesse de propagation du son dépend du milieu matériel : dans l’air elle est de 340 m/s, dans l’eau douce de 1430 m/s et dans l’acier de 5700 m/s.

Caractéristiques d’un son

La hauteur d’un son est caractérisée par la fréquence de l’onde considérée. Si une onde possède une fréquence très grande alors le son sera aigu. Le son possède une petite fréquence alors le son sera grave. Si la fréquence vient à se multiplier ou se diviser par deux, alors on change d’octave.

Le timbre d’une note correspond à la fréquence d’un son au niveau de toutes les octaves possibles.

Spectres auditifs

Le spectre auditif d’une espèce animale correspond à la gamme audible du champ auditif.

Chez l’être humain, le spectre auditif s’étend entre 20 Hz et  20 000 Hz.

Certaines espèces animales peuvent entendre au delà de 20 000 Hz :  ces sons sont appelés ultrasons. D’autres espèces animales sont capables d’entendre en dessous de 20 Hz, on nomme ce sons des infrasons.

Les infrasons : ce sont des ondes qui se situent en dessous de 20 Hz. Les éléphants par exemple peuvent entendre et émettre des sons audibles mais aussi des infrasons qui leur permettent de communiquer entre eux de façon discrète. Les infrasons se propageant sur des longues distances, ils peuvent communiquer même s’ils sont distants de plusieurs kilomètres.

Il existe des sources diverses d’infrasons : les phénomènes météorologiques violents comme les vents très forts engendrent des infrasons tout comme les fluctuations rapides de la pression atmosphérique. Le tonnerre ou les chutes d’eau peuvent également engendrer des infrasons.

Les ultrasons : ces sont des ondes qui se situent entre 16 000 Hz et 10 000 000 Hz. L’existence des ultrasons à été découverte par Francis Galton en 1883. Les dauphins peuvent générer des ultrasons (entre 100 et 200 000 Hz) pour pouvoir se déplacer, naviguer, éviter les obstacles mais aussi pour pouvoir se nourrir. Chaque dauphin au sein d’un groupe utilise une fréquence particulière. Les chauves-souris sont des animaux essentiellement nocturnes. Leur vision ne leur servant que très peu, les chauves-souris utilisent les ultrasons sur le principe du sonar pour se déplacer dans l’espace et rechercher de la nourriture (les insectes sont incapables de percevoir ces ultrasons). Les chauves-souris émettent des ondes sonores à des fréquences très élevées d’environ 50 000 Hz grâce à leurs cordes vocales particulières et utilisent leurs oreilles pour capter et amplifier les sons. Les ultrasons sont utilisés dans de nombreux secteurs :

Qu'est ce qu'un ultrason ? Les chauves-souris se déplacent grâce aux ultrasons

  • Dans l’industrie pour stériliser certaines substances ou des boues d’épuration
  • Dans l’industrie militaire pour développer des écho-sonars
  • En médecine avec l’échographie, le doppler, mais aussi pour traiter des calculs ou des infections de tissus mous

Zoom sur l’utilisation des ultrasons : le sonar

Le mot sonar est un acronyme des mots anglais « SOund Navigation And Ranging ». Le sonar est un appareil qui produit une onde qui se propage dans l’eau puis se répercute sur un obstacle. Cette répercussion est appelée écho et c’est cet écho qui est enregistré et analysé.

On peut alors calculer la distance à laquelle se trouve l’obstacle. Cette caractéristique est particulièrement utile dans le domaine militaire.

Le premier sonar a d’ailleurs été mis en place en 1917.

Les sonars équipent les sous-marins pour pouvoir détecter les éventuels vaisseaux ennemis. Les données du sonar permettent de connaitre la distance voire la vitesse à laquelle se déplace un objet sous l’eau.

Qu'est ce qu'un sonar de sous-marin ? Un sous-marin

Le saviez-vous ? Et les oreilles d’or qu’est-ce que c’est ? On appelle « oreilles d’or  » les officiers recrutés pour leurs exceptionnelles aptitudes auditives. Ces officiers sont des spécialistes de l’analyse acoustique. Ils peuvent reconnaître et identifier un grand nombre de signaux sonores quand ils sont au sein des sous-marins. Grâce aux données fournies par les appareils sonar, ils sont même capables de détecter quel type de bâtiment de guerre se trouve à proximité ou si les portes des tubes lance-arme sont ouverts ou fermés.

Pour en savoir plus sur ces extraordinaires oreilles d’or, le site de la défense propose un article complet :

http://www.defense.gouv.fr/actualites/articles/les-oreilles-d-or

Les ondes électromagnétiques

Une onde électromagnétique correspond à la propagation de champs électriques et des champs magnétiques. Ces derniers n’ayant pas besoin de support matériel pour exister les ondes électromagnétiques peuvent se propager aussi bien dans le vide que dans certaines matières. Il existe plusieurs types d’ondes électromagnétiques selon la fréquence.

  • La lumière visible : elle s’étend de 3,5 x 1014Hz à 7.5x 1014 Hz. 
  • En dessous de cet intervalle de fréquence on trouve ensuite les infrarouges,  les micro-ondes et les ondes radios.
  • Au delà cet intervalle il y a les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
Rayons gammaλ <10(-11) m
Rayons X10(-11)m <λ <10(-8) m
Rayons ultra-violets10(-8) m < λ<3.8.10(-7) m
Lumière visible3,8.10(-7) m <λ<7.8.10(-7) m
Les infra-rouges7.8.10(-7) m< λ<10(-3) m
Les micro-ondes10(-3) m< λ<1 m
Les ondes radio1 m< λ<10(8) m

Note : toutes les ondes électro-magnétiques ont dans le vide, la même célérité c’est à dire environ 300 000 000 m/s. Selon leur longueur d’onde, les ondes électromagnétiques possèdent des particularités. On utilise donc des appareils différents pour capter et analyser ces ondes.

Le saviez vous ? Les ondes hertziennes sont des ondes électromagnétiques de longueur d’onde supérieures à 1 mm. Les communications radio utilisent le domaine des basses, moyennes et hautes fréquences et ces longueurs d’ondes sont de plusieurs mètres. La télévision TNT utilise des très hautes fréquences quand aux transmissions satellites ce sont des transmissions extra hautes.

Pour aller plus loin : qu’est ce qu’un synchrotron ?

Le synchrotron est une source très puissante de rayonnement électromagnétique qui est produit par des électrons circulant dans un anneau de stockage.

Les électrons sont d’abord émis sous forme de paquets et accélérés par des ondes électromagnétiques à des vitesses très proches de celle de la lumière. Les électrons arrivent dans un anneau de 300 mètres et font de nombreux tours, ce qui leur fait gagner de l’énergie puis les électrons sont stockés dans un anneau de stockage de plus de 800 mètres de circonférence.

Dans cet anneau de stockage ils peuvent encore subir des accélérations et peuvent perdre leur énergie sous forme de rayonnement électromagnétique.

Ce rayonnement sort ensuite par des lignes de lumière qui vont être sélectionnées en fonction de leur longueur d’onde (de l’infra-rouge aux rayons X).

 

 

 

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HEU
Invité

LA VITESSE DE TRANSMISSION DU SON DEPEND ELLE DE LA COMPOSITION ATOMIQUE DU SUPPORT MATERIEL

Clément
Editor

Bonjour Jeannine,

En effet, la vitesse de transmission du son est dépendante du milieu matériel qu’elle traverse.

Par exemple, dans l’air, la vitesse du son dans l’air est de 340 m.s-1 alors qu’elle est de 1500 m.s-1.

Faouzia
Invité

J’aurai aimé en savoir plus sur l’échographie

Clément
Editor

Bonjour Faouzia,

Comment pourrions-nous vous aider ?

Michel
Invité

Question: pourquoi les ondes sonores peuvent se propager dans l’eau?

Clément
Editor

Bonjour Michel,

L’eau peut se propager dans l’eau puisque c’est un milieu mécaniquement stable et que les ondes mécaniques peuvent se propager à travers ses molécules.

Bonne journée

Dylan
Invité

Bonjour

Ces quoi un milieu matériel?
Merci

Clément
Editor

Bonsoir Dylan,

Un milieu matériel est un milieu constitué d’atomes. C’est le contraire du vide. L’ai et l’eau sont par exemple deux milieux matériels.