Du haut-parleur à l'oreille interne : fréquence, période et décibels d'un son

Monte le volume de tes écouteurs : le son devient plus fort. Change de morceau : la basse est grave, la cymbale aiguë. Fort ou faible, grave ou aigu : ces mots du quotidien correspondent à deux grandeurs physiques précises, le niveau d'intensité sonore et la fréquence. Et ton oreille, qui les perçoit, est un instrument fragile : ce cours t'apprend à la comprendre et à la protéger.

1. Un son est une vibration qui se propage

Une source sonore vibre : corde de guitare, membrane de haut-parleur, cordes vocales. Elle comprime puis dilate l'air autour d'elle, et cette succession de compressions et de dilatations se propage de proche en proche jusqu'à ton tympan. Le son a donc besoin d'un milieu matériel : dans le vide, pas de son.

La vitesse de propagation dépend du milieu : environ 340 m/s dans l'air, 1 500 m/s dans l'eau, plus de 5 000 m/s dans l'acier. C'est très lent comparé à la lumière (c = 3,00 × 10⁸ m/s).

Exemple travaillé. Tu vois un éclair, puis tu entends le tonnerre 3,0 s plus tard. La lumière arrive quasi instantanément ; le son, lui, a parcouru d = v × Δt = 340 × 3,0 = 1 020 m. L'orage est à environ 1 km : chaque tranche de 3 s vaut à peu près 1 km.

2. Période et fréquence : grave ou aigu

Un son pur est un signal périodique : le même motif se répète. La période T est la durée d'un motif, en secondes ; la fréquence f est le nombre de motifs par seconde, en hertz (Hz). Elles sont liées par f = 1T.

Exemple travaillé. Sur un oscilloscope réglé à 0,5 ms par division, un motif occupe 4,0 divisions : T = 4,0 × 0,5 = 2,0 ms = 2,0 × 10⁻³ s, donc f = 12,0 × 10⁻³ = 500 Hz.

La fréquence fixe la hauteur du son : plus elle est élevée, plus le son est aigu. Le la du diapason vibre à 440 Hz ; une oreille jeune entend de 20 Hz à 20 000 Hz. En dessous, ce sont les infrasons (éléphants, séismes) ; au-dessus, les ultrasons (chauves-souris, échographies).

L'amplitude du signal, elle, est liée à la force du son : plus la membrane vibre avec une grande amplitude, plus le son est fort.

3. Niveau d'intensité sonore : les décibels

La puissance sonore reçue par unité de surface s'appelle l'intensité sonore I, en W/m². Elle va de 10⁻¹² W/m² (seuil d'audibilité) à 1 W/m² (seuil de douleur) : une échelle immense. On utilise donc une grandeur plus commode, le niveau d'intensité sonore L, en décibels (dB), que mesure un sonomètre. Deux règles suffisent en Seconde :

• quand l'intensité est multipliée par 10, le niveau augmente de 10 dB ;
• quand l'intensité double (deux enceintes identiques au lieu d'une), le niveau augmente de 3 dB.

Repères : 0 dB seuil d'audibilité, 30 dB chambre calme, 60 dB conversation, 85 dB seuil de danger pour l'oreille, 100 dB concert près des enceintes, 120 dB seuil de douleur.

4. L'oreille et ses risques

Le son entre par le pavillon et le conduit auditif, fait vibrer le tympan, puis les trois osselets (marteau, enclume, étrier) transmettent la vibration à la cochlée, dans l'oreille interne. Là, des milliers de cellules ciliées transforment la vibration en message nerveux, envoyé au cerveau par le nerf auditif.

Ces cellules ciliées ne se renouvellent pas : détruites par un son trop fort ou trop long, elles sont perdues pour toujours. Les symptômes : acouphènes (sifflements fantômes), puis perte d'audition dans les aigus. La règle de prévention : à 85 dB, l'oreille tolère 8 h par jour ; chaque fois que le niveau monte de 3 dB, la durée tolérée est divisée par deux. À 100 dB, il ne reste qu'un quart d'heure. En France, les salles de concert ne doivent pas dépasser 102 dB en moyenne sur 15 minutes.

Expérience à la maison, sans danger. Coince une règle plate au bord d'une table et fais vibrer la partie qui dépasse : plus elle est courte, plus la vibration est rapide et le son aigu. Une application d'accordeur sur un téléphone t'affichera la fréquence de ta voix ou d'un verre que tu frappes.

À retenir

• Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel, à 340 m/s dans l'air ; jamais dans le vide.
• f = 1/T : fréquence en Hz, période en s. Fréquence élevée = son aigu. Domaine audible : 20 Hz à 20 kHz.
• Le niveau d'intensité sonore se mesure en dB : intensité × 10 ⇒ + 10 dB ; intensité × 2 ⇒ + 3 dB.
• Au-delà de 85 dB, une exposition prolongée détruit les cellules ciliées de la cochlée, de façon irréversible.

★ Pour aller plus loin

Les chauves-souris émettent des ultrasons de 20 à plus de 100 kHz et reconstruisent leur environnement grâce à l'écho : c'est l'écholocation, copiée par les sonars des navires et les échographies médicales. À l'inverse, les éléphants communiquent à plusieurs kilomètres par des infrasons que nous n'entendons pas.

Quand un avion dépasse la vitesse du son (Mach 1, soit environ 340 m/s), les compressions qu'il crée s'accumulent en une onde de choc : c'est le « bang » supersonique.

Sources pour creuser

• Michel Chion, Le Son (Armand Colin) : un traité de référence, exigeant, sur ce qu'est un son et comment on l'écoute.
• Ton manuel de Seconde, chapitre « Émission et perception d'un son ».
• Sur YouTube : la chaîne officielle C'est pas sorcier (cherche « son » parmi ses vidéos), Les Bons Profs (« signaux sonores seconde ») et ScienceEtonnante.
• lumni.fr (Lycée › Seconde › Physique-chimie) et le site de l'association Agi-Son, qui mène la prévention des risques auditifs dans les concerts.