Chapitre 9 : Corrigé des Exercices - Le son et les signaux acoustiques

Exercice 1 : Propagation du son et exploration spatiale

Les trois milieux matériels : Les trois états physiques sont l’état gazeux (l’air), l’état liquide (l’eau) et l’état solide (les métaux).
Explication microscopique : La source sonore en vibrant percute les molécules d’air les plus proches. Ces molécules se rapprochent, entrent en collision avec leurs voisines directes pour leur transmettre l’énergie mécanique, puis reprennent leur place. Le son voyage ainsi de proche en proche par vagues de chocs moléculaires.
Analyse de la science-fiction : Cette représentation est fausse car l’espace intersidéral est constitué de vide. Le vide ne contenant aucune molécule, il n’y a pas de particules pour transmettre les collisions de proche en proche. Le son ne peut donc pas s’y propager, et l’explosion serait totalement silencieuse.

Conversion de la formule : La distance s’exprime par la relation : $d = v \times t$
Calcul de la distance de l’impact :
- Application numérique : $d = 340\ \text{m/s} \times 5\ \text{s} = \mathbf{1\ 700\ \text{m}}$
- Conversion en kilomètres : $1\ 700\ \text{m} = \mathbf{1,7\ \text{km}}$
- Conclusion : L’impact de foudre s’est produit à une distance de $1,7\ \text{km}$ de l’observateur.
Vitesse du son (Air vs Eau) : Le son se propage beaucoup plus vite dans l’eau (environ $1\ 500\ \text{m/s}$ ) que dans l’air ( $340\ \text{m/s}$ ). Justification : Les molécules à l’état liquide sont beaucoup plus proches et serrées qu’à l’état gazeux, ce qui accélère la transmission des chocs de proche en proche.

Classement des signaux :
- Signal A ( $15\ \text{Hz}$ ) : Correspond à un infrason car sa fréquence est strictement inférieure à la limite basse de l’oreille humaine ( $20\ \text{Hz}$ ).
- Signal C ( $25\ 000\ \text{Hz}$ ) : Correspond à un ultrason car sa fréquence dépasse la limite haute de l’oreille humaine ( $20\ 000\ \text{Hz}$ ).
Audibilité du signal B : Oui, le signal B est parfaitement audible car sa fréquence de $440\ \text{Hz}$ se situe dans le domaine d’audibilité de l’oreille humaine saine (compris entre $20\ \text{Hz}$ et $20\ 000\ \text{Hz}$ ).
Dangerosité du signal B : Le niveau sonore du signal B s’établit à $95\ \text{dB}$ . Or, le cours indique que le seuil de danger commence à $85\ \text{dB}$ . Une exposition à $95\ \text{dB}$ risque de détruire de manière définitive et irréversible les cellules ciliées de l’oreille interne, provoquant une surdité partielle ou totale.

Définition de la hauteur : La hauteur est la caractéristique d’un son qui permet de déterminer s’il est grave ou aigu. Elle est directement liée à la fréquence de la vibration (exprimée en Hertz).
Identification du paramètre : C’est le timbre qui permet de différencier les deux flûtes. Le timbre correspond à la signature ou l’identité sonore propre à chaque instrument, liée à la forme de l’onde vibratoire émise.