III/ L'influence des facteurs physiques sur le son

 

Tout d’abord, les facteurs physiques influant sur le son sont différents selon les matériaux de propagation ainsi nous allons faire 3 parties distinct :

 

a) Dans l’air :

 

La vitesse de propagation du son (on parle également de la célérité) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un gaz parfait, la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son.

La célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d'inertie) et lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente. Quand il s'agit de l'atmosphère, il convient de connaître en plus la structure thermique de la masse d'air traversée ainsi que la direction du vent car :

- Le son se propage moins bien à l'horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. (Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l'antiquité)

- Le son peut être littéralement « porté » par le vent. Par exemple, une personne (A) est postée à 5 km d’une voie ferrée, alors qu’une autre (B) est postée à la même distance de celle-ci, mais du côté opposé de la voie ferrée à (A). Le vent souffle de (B) vers (A). Lorsqu’un train passe, (A) a entendu le train car le son a été « porté » par le vent, alors que (B) ne l’as pas entendu du fait que le son se propageait dans sa direction contrairement au sens du vent.

 

 

Ce tableau représente la vitesse d’une onde sonore dans l’air en fonction de la température.

 

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La vitesse de propagation du son dans l'air sec à une température de 0°C est de 331.5 m/s ; la vitesse du son augmente lorsque la température augmente (à 20°C, la vitesse du son est de 333,4 m/s). La variation de pression dans un milieu de densité constante, ne fait pas varier la vitesse de propagation. Mais par contre, la vitesse est dépendante de la densité du gaz traversé ; si les molécules du gaz sont très lourdes, elles auront du mal à se déplacer, le son se déplacera donc beaucoup moins vite. Or nous nous savons que les variations de température font aussi varier la densité d’un gaz. La vitesse du son dans un gaz dépend donc de la température.

  

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Sur ce tableau nous pouvons voir que jusqu’à 10000 mètres la vitesse du son diminue de façon régulière, c’est-à-dire de 2 m/s tous les 500 mètres. On remarque que la température diminue aussi de façon régulière (3,25°C tous les 500 mètres). A partir de 15000 mètres le phénomène s’inverse, la vitesse des ondes sonores augmente. De même pour la température. On arrive donc à la même conclusion, la température influe sur la vitesse des ondes dans les milieux gazeux. En effet plus la température est élevée plus les ondes sonores se déplaceront rapidement.

 

 Ci-dessous nous avons le graphique de la vitesse des ondes sonores selon l’altitude :

 

3333 1

Pour réaliser ce graphique nous avons utilisé un simulateur.

 

 

b) Les métaux :

 

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La vitesse de propagation du son dans de l'acier est de 5000 m/s, dans du cuivre 3353 m/s à la température ordinaire. En effet, on peut se rendre compte que la vitesse des ondes sonores dans les métaux n’est pas directement liée à sa masse molaire ni à sa densité. Elle dépend de plusieurs paramètres, et la température en fait partie. Dans le tableau ci-dessus, les vitesses sont calculées dans un milieu à une température de 20°C. Nous avons remarqué que si la température augmente la vitesse des ondes sonores diminue. La température agit en réalité sur l’élasticité du milieu, qui diminue lorsqu’elle augmente.

 

c) Dans l’eau :

 

Les longueurs d’onde couramment rencontrées dans l’océan s’étendent du millimètre à environ 50 mètres. La vitesse du son dans l’eau étant approximativement égale à 1500 m/s, cela correspond à des fréquences de 30 Hz à 1,5 Mhz (la limite audible pour l’homme est de 20 Khz).

La célérité des sons dans l’eau est fonction de la température, la pression et la salinité.

Dans l’eau les ondes sonores se déplacent dans toutes les directions, sa vitesse dépend beaucoup de la nature de l’eau. Or nous savons que la mer comporte de nombreuses variations de pression et de salinité qui engendrent une trajectoire irrégulière.

 

Sur ce graphique nous avons les différentes dioptres présentent dans les milieux marins :

 

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Sur le graphique ci-dessous, nous avons la propagation des ondes sonores émise à partir d’une source à 900m de profondeur. En pointillés nous avons la propagation ondes sonores émise vers le haut (0 à 7°) ; en traits pleins nous avons la propagation des ondes sonores émise vers le bas (2 à 12°C). A gauche le profil de vitesse des ondes sonores correspondantes.

 

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d) Les milieux diphasiques :

 

Le changement de milieux soudain comme les milieux diphasiques influent radicalement sur la vitesse du son. La vitesse du son de ce mélange est bien inférieure à la plus petite des deux. Par exemple, pour un mélange eau/vapeur, la vitesse du son est autour de 30 m/s. Cela s'explique en considérant la masse volumique moyenne du mélange, qui est comprise entre celle de l'eau et celle de la vapeur, et la compressibilité (ou la constante d'élasticité moyenne) qui est elle aussi comprise entre celle de l'eau et celle de la vapeur. En introduisant les bulles de vapeur dans l'eau, on a tout à la fois diminué la masse volumique moyenne du milieu (cette modification, seule, tend à augmenter la vitesse du son) et augmenté sa compressibilité (cette modification, seule, diminue la vitesse du son). Mais on a beaucoup plus augmenté la constante élastique, que diminué la masse volumique. C'est pourquoi on a obtenu une vitesse du son plus faible dans ce mélange que dans l'eau pure.

 

e) L’effet Doppler :

 

C’est la variation apparente de la fréquence d'une onde émise par une source en mouvement par rapport à un observateur ou l’inverse. L’effet tient son nom du physicien Christian Johann Doppler, il a été découvert en 1842.

Pour comprendre son principe, imaginez que je lance des balles vers vous à une cadence soutenue et régulière et que vous essayez de les rattraper. Si je me rapproche, la fréquence avec laquelle vous recevez les balles (nombre de fois par seconde) augmente ; non pas parce que leur vitesse augmente mais parce que la distance qui les sépare de vous au moment où je les lance est réduite à chaque lancer.

Imaginons maintenant que je m'éloigne ; vous aurez plus de facilité pour attraper les balles car le temps entre la réception de chaque balle augmente (fréquence moins élevée).

Toujours concrètement, un observateur expérimente l'effet Doppler quand une voiture passe à ses côté ; notre observateur entend d'abord un son aigu quand le véhicule se rapproche (fréquence plus élevée) et un son grave quand celui-ci s'éloigne (les fronts d'onde sont plus éloignés les uns des autres).

Dans un référentiel Galiléen, on peut calculer la fréquence avec laquelle les ondes sonores atteignent un observateur.

 

Si la source est en mouvement :

 

=>v la vitesse radiale (d'éloignement ou de rapprochement par rapport au récepteur) de la source d'ondes,

=>c la vitesse de propagation,

=>T la période des ondes,

=>λ leur longueur d'onde,

=>f leur fréquence.

=>λ' et f ' sont la longueur d'onde et la fréquence reçues par l'observateur.

Alors : f ' = f / ( 1 ± v / c)

 

Si le récepteur est en mouvement :

 

=>v la vitesse radiale (d'éloignement ou de rapprochement par rapport au récepteur) de la source d'ondes,

=>c la vitesse de propagation,

=>T la période des ondes,

=>λ leur longueur d'onde,

=>f leur fréquence.

=>λ' et f ' sont la longueur d'onde et la fréquence reçues par l'observateur.

 

Alors : f ' = f / ( 1 ± v / c)

Commentaires (7)

Zamasu
  • 1. Zamasu | 18/12/2017
Bonjour,
Je suis à la recherche de la source de votre 1er tableau sur la vitesse du sons en fonction de la température ?
Merci de votre aide
Noctaroux
  • 2. Noctaroux | 15/11/2017
Gabriel je suis intérressé par ta proposition viens on bez ;))))
Gabriel Payet Reunion97435 1ere S2 Lycée Évariste de Parny
  • 3. Gabriel Payet Reunion97435 1ere S2 Lycée Évariste de Parny (site web) | 04/10/2017
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  • 4. bite | 27/09/2017
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petit pd noir
  • 5. petit pd noir (site web) | 27/09/2017
fait bour pornhub brazzer lé mieux pd le chien.
venez au resto la mere a lucien pour manger le houmous dans le chatte
kevin
Fait bour a toi pes pd <3
viens sur notre site il est trop bien c'est gratuit et en plus si tu viens du nord tu vas kiffer ya ta mere et soeur
Jean
  • 7. Jean | 20/10/2015
En vérité la vitesse du son dans un gas ne dépend que du rapport entre la pression et la masse volumique de l'air. Et le seul facteur physique qui change ce rapport, c'est la température.

Donc seule la température influe sur la vitesse du son ! C'est assez contre-intuitif (on a envie que ça change avec la pression), mais c'est physiquement exact !

Bon travail, btw

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