--- niveau: "4eme" discipline: "physique-chimie" theme_bo: "Des signaux pour observer et communiquer" chapitre: 14 titre: "Le son et la fréquence" duree_heures: 2 prerequis: - "5e-10 — Propagation de la lumière et du son" competences_bo: - "Relier la fréquence à la hauteur d'un son" - "Connaître le domaine de fréquences des sons audibles" competences_socle: - "D1.3 — Langages scientifiques" - "D2 — Méthodes et outils" - "D4 — Systèmes naturels et techniques" - "D3 — Citoyen" mots_cles: - son - fréquence - hertz - hauteur - sons audibles - infrasons - ultrasons - risques auditifs - décibel eval_diagnostique: "QCM prérequis propagation du son (5ème)" eval_formative: "TP mesure de fréquence avec oscilloscope / logiciel Audacity" eval_sommative: "Devoir son et fréquence" --- # Chapitre 14 — Le son et la fréquence > *M. VERHILLE — Physique-Chimie · 4ème* --- ## Objectifs et compétences **Repères du programme de cycle 4 (BO 2020)** : - Relier la fréquence à la hauteur d'un son - Connaître le domaine de fréquences des sons audibles, des infrasons et des ultrasons **Compétences du socle** : - D1.3 : Utiliser la grandeur fréquence et son unité (Hz) - D4 : Mesurer une fréquence (oscilloscope, logiciel) - D3 : Adopter un comportement responsable face aux risques auditifs **À la fin de ce chapitre, l'élève sait** : - [ ] Définir la fréquence d'un son et son unité (Hz) - [ ] Relier la fréquence à la hauteur du son (aigu/grave) - [ ] Connaître le domaine des sons audibles (20 Hz — 20 000 Hz) - [ ] Distinguer infrasons, sons audibles et ultrasons - [ ] Citer les risques auditifs et les moyens de prévention --- ## 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 matériel (air, eau, solide) sous forme d'onde sonore. > Rappel 5ème : le son ne se propage pas dans le vide. Vitesse du son dans l'air ≈ 340 m/s. --- ## 2. La fréquence d'un son ### Définition La **fréquence** est le nombre de vibrations (aller-retour) par seconde. $$\boxed{f = \dfrac{1}{T}}$$ | Grandeur | Symbole | Unité | |---|---|---| | Fréquence | **f** | Hertz (**Hz**) | | Période | **T** | Seconde (**s**) | > **1 Hz** = 1 vibration par seconde. > **1 kHz** = 1 000 Hz. ### Lien fréquence — hauteur du son | Fréquence | Hauteur du son | Exemple | |---|---|---| | **Basse** (ex : 100 Hz) | Son **grave** | Voix masculine grave, contrebasse | | **Élevée** (ex : 5 000 Hz) | Son **aigu** | Sifflet, voix d'enfant | > Plus la fréquence est **élevée**, plus le son est **aigu**. > Plus la fréquence est **basse**, plus le son est **grave**. --- ## 3. Domaines de fréquences | Domaine | Fréquence | Audible par l'Homme ? | Exemples | |---|---|---|---| | **Infrasons** | < 20 Hz | Non | Séismes, éléphants, baleines | | **Sons audibles** | 20 Hz — 20 000 Hz | Oui | Voix, musique, bruits quotidiens | | **Ultrasons** | > 20 000 Hz | Non | Chauve-souris, échographie, sonar, dauphins | ### L'oreille humaine - Les **bébés** entendent jusqu'à ~20 000 Hz. - Avec l'âge, la limite supérieure diminue (~15 000 Hz à 30 ans, ~12 000 Hz à 50 ans). - Les **chiens** entendent jusqu'à ~40 000 Hz (sifflet à ultrasons). - Les **chauve-souris** émettent des ultrasons jusqu'à 120 000 Hz pour se repérer (écholocation). > **À La Réunion** : les dauphins et les baleines à bosse qui fréquentent les eaux réunionnaises entre juin et octobre utilisent des sons de fréquences variées pour communiquer. Les baleines à bosse émettent des chants complexes entre 20 Hz et 4 000 Hz, parfois audibles sous l'eau à des dizaines de kilomètres. --- ## 4. Risques auditifs ### L'échelle des décibels (dB) Le **niveau sonore** se mesure en **décibels (dB)**. | Niveau sonore | Situation | Risque | |---|---|---| | 0 dB | Seuil d'audibilité | — | | 30 dB | Chuchotement | — | | 60 dB | Conversation normale | — | | 80 dB | Rue bruyante | Début 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 décollage | **Seuil de douleur** | | 130 dB+ | Explosion | Lésions immédiates | ### Conséquences d'une exposition excessive - **Fatigue auditive** : sensation de « coton dans les oreilles », temporaire - **Acouphènes** : sifflements ou bourdonnements perçus sans source externe, transitoires ou persistants - **Surdité partielle ou totale** : destruction irréversible des cellules ciliées de l'oreille interne ### Prévention - Porter des **bouchons d'oreilles** ou un casque anti-bruit en milieu bruyant - **Limiter le volume** des écouteurs (règle : si on n'entend pas quelqu'un parler à 1 m, c'est trop fort) - **S'éloigner des enceintes** lors d'un concert - **Faire des pauses** sonores régulières --- ## 5. Activité expérimentale ### TP — Mesurer la fréquence d'un son avec Audacity **Matériel** : ordinateur + logiciel Audacity + microphone **Protocole** : 1. Enregistrer un son (diapason, voix, instrument) 2. Zoomer sur le signal pour voir les vibrations 3. Mesurer la **période T** (durée d'un motif qui se répète) 4. Calculer la fréquence : $f = 1/T$ **Exemple** : si le motif se répète toutes les 0,002 s → $f = 1/0{,}002 = 500$ Hz --- ## Bilan — Ce qu'il faut retenir | Notion | Définition | Formule | |--------|-----------|---------| | Fréquence | Nombre de vibrations par seconde | f = 1 / T | | Hertz (Hz) | Unité de fréquence ; 1 Hz = 1 vibration/seconde | — | | Son grave | Son de basse fréquence | — | | Son aigu | Son de haute fréquence | — | | Sons audibles | Domaine de fréquences perçu par l'oreille humaine : 20 Hz à 20 000 Hz | — | | Infrasons | Sons de fréquence inférieure à 20 Hz (non audibles) | — | | Ultrasons | Sons de fréquence supérieure à 20 000 Hz (non audibles) | — | **Mots-clés** : fréquence, hertz, hauteur, grave, aigu, sons audibles, infrasons, ultrasons, risques auditifs, décibel **Erreurs fréquentes** : - Confondre fréquence (aigu/grave) et amplitude/volume (fort/faible) : un son peut être 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 --- ## Différenciation - **Remédiation** : classer une liste de sons (voix grave, sifflet, tonnerre, chant d'oiseau) du plus grave au plus aigu et associer une gamme de fréquences - **Approfondissement** : rechercher le principe de l'échographie médicale (ultrasons envoyés dans le corps, réflexion sur les organes, image reconstruite) et expliquer pourquoi on utilise des ultrasons plutôt que des sons audibles --- Sources de prévention : [INRS — exposition au bruit](https://www.inrs.fr/risques/bruit/exposition-risque.html) ; [SPF Santé publique — infrasons et ultrasons](https://www.health.belgium.be/fr/themes/sante/votre-sante/environnement-sante/impact-nuisances-sonores-votre-sante/infrasons-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 associées - Programme officiel : BO 2020, Thème 4 « Des signaux pour observer et communiquer » - Simulation PhET : [[net/Liens-Internet-Applications|Ondes sonores]] - TP : logiciel Audacity (gratuit) + microphone - Vidéos : [[net/Liens-Internet-Video|Signaux (Moodle, 4eme)]] - Prérequis : [[5e-10-propagation-lumiere-son|5e Ch.10 — Propagation lumière et son]] ## Navigation ← [[4e-13-optique-couleurs|Ch.13 — Optique et couleurs]] | [[4-PROGRESSION|Progression 4eme]] | [[4e-15-bilan-energetique|Ch.15 — Bilan énergétique]] →