M. VERHILLE — Physique-Chimie · 4eme
Objectifs et competences
Repères du programme de cycle 4 (BO 2020) :
- Relier la frequence a la hauteur d'un son
- Connaitre le domaine de frequences des sons audibles, des infrasons et des ultrasons
Competences du socle :
- D1.3 : Utiliser la grandeur frequence et son unite (Hz)
- D4 : Mesurer une frequence (oscilloscope, logiciel)
- D3 : Adopter un comportement responsable face aux risques auditifs
A la fin de ce chapitre, l'eleve sait :
1. Rappel : qu'est-ce qu'un son ?
Un son est produit par la vibration d'un objet (corde, membrane, cordes vocales). Cette vibration se propage dans un milieu materiel (air, eau, solide) sous forme d'onde sonore.
Rappel 5eme : le son ne se propage pas dans le vide. Vitesse du son dans l'air ≈ 340 m/s.
2. La frequence d'un son
Definition
La frequence est le nombre de vibrations (aller-retour) par seconde.
| Grandeur | Symbole | Unite |
|---|---|---|
| Frequence | f | Hertz (Hz) |
| Periode | T | Seconde (s) |
1 Hz = 1 vibration par seconde. 1 kHz = 1 000 Hz.
Lien frequence — hauteur du son
| Frequence | Hauteur du son | Exemple |
|---|---|---|
| Basse (ex : 100 Hz) | Son grave | Voix masculine grave, contrebasse |
| Elevee (ex : 5 000 Hz) | Son aigu | Sifflet, voix d'enfant |
Plus la frequence est elevee, plus le son est aigu. Plus la frequence est basse, plus le son est grave.
3. Domaines de frequences
| Domaine | Frequence | Audible par l'Homme ? | Exemples |
|---|---|---|---|
| Infrasons | < 20 Hz | Non | Seismes, elephants, baleines |
| Sons audibles | 20 Hz — 20 000 Hz | Oui | Voix, musique, bruits quotidiens |
| Ultrasons | > 20 000 Hz | Non | Chauve-souris, echographie, sonar, dauphins |
L'oreille humaine
- Les bebes entendent jusqu'a ~20 000 Hz.
- Avec l'age, la limite superieure diminue (~15 000 Hz a 30 ans, ~12 000 Hz a 50 ans).
- Les chiens entendent jusqu'a ~40 000 Hz (sifflet a ultrasons).
- Les chauve-souris emettent des ultrasons jusqu'a 120 000 Hz pour se reperer (echolocation).
A La Reunion : les dauphins et les baleines a bosse qui frequentent les eaux reunionnaises entre juin et octobre utilisent des sons de frequences variees pour communiquer. Les baleines a bosse emettent des chants complexes entre 20 Hz et 4 000 Hz, parfois audibles sous l'eau a des dizaines de kilometres.
4. Risques auditifs
L'echelle des decibels (dB)
Le niveau sonore se mesure en decibels (dB).
| Niveau sonore | Situation | Risque |
|---|---|---|
| 0 dB | Seuil d'audibilite | — |
| 30 dB | Chuchotement | — |
| 60 dB | Conversation normale | — |
| 80 dB | Rue bruyante | Debut de fatigue auditive |
| 85 dB(A) | Niveau élevé | Risque dépendant notamment de la durée cumulée d’exposition |
| 100 dB(A) | Concert, discothèque | Une exposition même courte peut présenter un risque ; réduire le niveau et la durée |
| 120 dB | Avion au decollage | Seuil de douleur |
| 130 dB+ | Explosion | Lesions immediates |
Consequences d'une exposition excessive
- Fatigue auditive : sensation de « coton dans les oreilles », temporaire
- Acouphenes : sifflements ou bourdonnements perçus sans source externe, transitoires ou persistants
- Surdite partielle ou totale : destruction irreversible des cellules ciliees de l'oreille interne
Prevention
- Porter des bouchons d'oreilles ou un casque anti-bruit en milieu bruyant
- Limiter le volume des ecouteurs (regle : si on n'entend pas quelqu'un parler a 1 m, c'est trop fort)
- S'eloigner des enceintes lors d'un concert
- Faire des pauses sonores regulieres
5. Activite experimentale
TP — Mesurer la frequence d'un son avec Audacity
Materiel : ordinateur + logiciel Audacity + microphone Protocole :
- Enregistrer un son (diapason, voix, instrument)
- Zoomer sur le signal pour voir les vibrations
- Mesurer la periode T (duree d'un motif qui se repete)
- Calculer la frequence :
Exemple : si le motif se repete toutes les 0,002 s →
Bilan — Ce qu'il faut retenir
| Notion | Definition | Formule |
|---|---|---|
| Frequence | Nombre de vibrations par seconde | f = 1 / T |
| Hertz (Hz) | Unite de frequence ; 1 Hz = 1 vibration/seconde | — |
| Son grave | Son de basse frequence | — |
| Son aigu | Son de haute frequence | — |
| Sons audibles | Domaine de frequences percu par l'oreille humaine : 20 Hz a 20 000 Hz | — |
| Infrasons | Sons de frequence inferieure a 20 Hz (non audibles) | — |
| Ultrasons | Sons de frequence superieure a 20 000 Hz (non audibles) | — |
Mots-cles : frequence, hertz, hauteur, grave, aigu, sons audibles, infrasons, ultrasons, risques auditifs, decibel
Erreurs frequentes :
- Confondre frequence (aigu/grave) et amplitude/volume (fort/faible) : un son peut etre aigu et faible, ou grave et fort
- Croire qu’un son inaudible est forcément sans danger : le risque dépend du niveau, de la durée et des caractéristiques du son, notamment sa fréquence et son mode de transmission ; des ultrasons puissants peuvent aussi présenter des risques
- Croire que les infrasons n'existent pas parce qu'on ne les entend pas
Differenciation
- Remediation : classer une liste de sons (voix grave, sifflet, tonnerre, chant d'oiseau) du plus grave au plus aigu et associer une gamme de frequences
- Approfondissement : rechercher le principe de l'echographie medicale (ultrasons envoyes dans le corps, reflexion sur les organes, image reconstruite) et expliquer pourquoi on utilise des ultrasons plutot que des sons audibles
Sources de prévention : INRS — exposition au bruit ; SPF Santé publique — infrasons et ultrasons. Les domaines 20 Hz–20 kHz sont des ordres de grandeur pour une oreille jeune en bonne santé, pas des limites identiques pour tous.
Ressources associees
- Programme officiel : BO 2015, Theme 4 « Des signaux pour observer et communiquer »
- Simulation PhET : Ondes sonores
- TP : logiciel Audacity (gratuit) + microphone
- Videos : Signaux (Moodle, 4eme)
- Prerequis : 5e Ch.10 — Propagation lumiere et son
Navigation
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