Lycée et prépa · Physique · Seconde
Le son : fréquence, période, niveau
Un diapason, une flûte, une voix : sur l’écran d’un oscilloscope, chaque son dessine sa courbe. Tu vas y mesurer une période, en tirer la fréquence, mesurer la vitesse du son avec deux micros, puis lire l’échelle des décibels et ce qu’elle dit de notre audition.
Écart entre les curseurs
Tu peux aussi tirer les curseurs directement sur l’écran.
⚠ Baisse d’abord le volume de ton appareil. Le son démarre bas et s’arrête seul après 5 s. Ce que tu entends dépend de ton casque ou de tes haut-parleurs, pas du niveau affiché.
Un claquement part à 1 m du micro A. Le micro B est plus loin, dans le même alignement. L’oscilloscope se déclenche quand le son atteint A : voie A en haut, voie B en bas, chacune avec sa propre échelle verticale.
Palier 1 · DécouvrirVoir un son, mesurer sa période
Un son, c’est une vibration qui voyage
Frappe un diapason : ses deux branches vibrent. Elles poussent l’air voisin, puis le tirent, des centaines de fois par seconde. L’air est tour à tour un peu comprimé, puis un peu détendu, et cette perturbation se transmet de proche en proche : c’est une onde sonore. L’air, lui, ne part pas avec le son : il oscille sur place.
Le micro transforme ces variations de pression en tension électrique, et l’oscilloscope trace cette tension au cours du temps. Ici, l’écran affiche directement la surpression de l’air, en pascals (Pa) : l’écart à la pression moyenne.
Ces écarts sont minuscules : quelques centièmes de pascal pour une conversation, alors que l’air qui nous entoure est à environ 100 000 Pa.
Tenu à la main, un diapason s’entend à peine. Posé sur sa caisse de résonance, il s’entend bien mieux : la caisse vibre avec lui et met en mouvement beaucoup plus d’air. La note, elle, ne change pas.
Un réveil sonne sous une cloche en verre. On pompe l’air de la cloche. Que devient le son qu’on entend ?
Oui. Sans air autour du réveil, la vibration n’a plus de milieu pour aller jusqu’au verre. Il reste un son très faible, qui passe par les supports du réveil. Le son a besoin d’un milieu matériel : un gaz, un liquide ou un solide. La lumière, elle, traverse le vide : on voit toujours le réveil.
Le verre peut transmettre une vibration, encore faut-il qu’elle l’atteigne. Entre le réveil et le verre, qu’est-ce qui transporte le son ? Et si on l’enlève ?
L’air ne freine pas le son : il le porte. Sans air, qu’est-ce qui transmettrait la vibration du réveil jusqu’au verre ?
Mesurer une période
Choisis le diapason. La trace se répète : le même motif revient à intervalles réguliers. Un tel signal est périodique, et la durée d’un motif complet est sa période, notée T.
- Place le curseur 1 là où la courbe passe par zéro en montant.
- Place le curseur 2 au même endroit d’un motif suivant : même valeur, même sens. L’écart Δt s’affiche sous l’écran.
- Pour être plus précis, mesure plusieurs périodes d’un coup : si 5 motifs durent 11,36 ms, alors T = 11,36 ÷ 5 ≈ 2,27 ms.
La base de temps donne la durée d’un carreau horizontal (par exemple 1 ms/div) ; l’échelle verticale, la surpression d’un carreau vertical. Si la trace sort de l’écran, touche « Auto ».
Sur la trace du diapason, quelle durée sépare deux passages par zéro qui se suivent ?
Regarde bien : au premier point, la courbe monte ; au suivant, elle descend. Ce n’est pas le même état, le motif n’est pas terminé.
Oui : un passage par zéro en montant, puis un en descendant. Pour une période entière, il faut revenir au même état : zéro, et en montant.
Moins que ça : un motif complet contient deux passages par zéro, un en montant et un en descendant.
Plus aigu, plus fort : prédis, puis teste
Avant de toucher aux curseurs « Fréquence » et « Niveau », fais ton pronostic.
Le son devient plus aigu. Sur l’écran, les motifs vont…
C’est noté. Déplace le curseur « Fréquence » vers la droite pour vérifier, puis fais la mission « Plus aigu, plus fort ».
Le son devient plus fort, sur la même note. Les motifs vont…
C’est noté. Monte le curseur « Niveau » pour vérifier, sans toucher à l’échelle verticale.
Même note, autre instrument : le timbre
Garde la même fréquence, par exemple 440 Hz, et change de source : diapason, flûte, clarinette, voix.
Qu’est-ce qui reste pareil, et qu’est-ce qui change ?
Oui. Même période, donc même note : même hauteur. La forme du motif change : c’est le timbre, ce qui distingue une flûte d’une clarinette qui jouent la même note.
Mesure la période avec les curseurs pour deux sources différentes : trouves-tu deux valeurs différentes ?
Mesure la période de deux sources : c’est la même. Même période, même note ; seule la forme du motif change.
Choisis « Souffle ». Peux-tu mesurer une période ?
Cherche deux instants où la courbe repart à l’identique… Tu n’en trouveras pas : le souffle mélange des fréquences sans rapport entre elles.
Exact : un bruit n’est pas un signal périodique. Il n’a pas de période, donc pas de fréquence unique : on n’y entend pas de note.
Palier 2 · ComprendreFréquence, niveau et vitesse du son
La fréquence 2de
f = 1 ÷ T
- f
- la fréquence : le nombre de périodes par seconde, en hertz (Hz). 1 kHz = 1 000 Hz.
- T
- la période, en secondes (s).
Attention aux unités : T = 2,27 ms = 0,002 27 s, donc f = 1 ÷ 0,002 27 ≈ 440 Hz. Avec T en millisecondes, 1 ÷ T donne des kilohertz : 1 ÷ 2,27 ≈ 0,44 kHz.
Hauteur et sons audibles
Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu. Quand la fréquence double, la note monte d’une octave : essaie « × 2 » sur le banc.
L’oreille humaine entend à peu près de 20 Hz à 20 kHz, et la limite haute baisse avec l’âge. En dessous de 20 Hz : les infrasons, émis par exemple par les séismes ou par certains appels d’éléphants. Au-dessus de 20 kHz : les ultrasons, qu’entendent les chiens et les chauves-souris, et qu’utilise l’échographie médicale, à plusieurs mégahertz.
Complète les trois règles.
Plus la fréquence est grande, plus le son est . Si la fréquence double, la période est . Un son de 25 kHz est .
Il reste un trou à remplir.
Monte la fréquence sur le banc et écoute, ou pense à un sifflet : les fréquences élevées sont les sons aigus.
Fort ou faible, c’est l’amplitude, donc le niveau. La fréquence décide de la hauteur de la note.
f = 1 ÷ T : si f est deux fois plus grande, T est deux fois plus petite. Essaie « × 2 » et regarde la largeur des motifs.
Essaie « × 2 » sur le banc : les motifs gardent-ils leur largeur ?
« Infra » veut dire « en dessous » : les infrasons sont sous 20 Hz. 25 kHz, c’est au-dessus de 20 kHz.
La limite haute de l’audition est d’environ 20 kHz, et 25 kHz la dépasse.
Les trois règles sont justes.
Comparer avec les règles
Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu. Comme f = 1 ÷ T, si f double, T est divisée par 2. Au-dessus de 20 kHz, ce sont des ultrasons ; en dessous de 20 Hz, des infrasons.
Le niveau d’intensité sonore 2de
Un son plus fort transporte plus d’énergie : son intensité sonore I, en watts par mètre carré (W/m²), est plus grande. Le sonomètre ne l’affiche pas : il donne le niveau d’intensité sonore L, en décibels (dB).
Cette échelle n’est pas proportionnelle. Chaque fois que l’intensité est multipliée par 10, le niveau augmente de 10 dB ; quand elle double, de 3 dB seulement. De 0 à 120 dB, l’intensité est multipliée par mille milliards.
| Niveau | Exemple |
|---|---|
| 0 dB | seuil d’audibilité, vers 1 000 Hz |
| 20 à 30 dB | chuchotement, chambre calme la nuit |
| 60 dB | conversation à 1 m |
| 80 à 90 dB | rue à fort trafic, atelier bruyant |
| 100 à 105 dB | concert amplifié, discothèque |
| 120 dB | seuil de douleur, à peu près |
L’oreille l’entend-elle ? 1re
Le seuil d’audibilité n’est pas le même à toutes les fréquences. La courbe donne le niveau le plus faible qu’entend une oreille jeune et en bonne santé (valeur médiane, norme ISO 226). Au-dessus de la courbe, le son est audible ; en dessous, il ne l’est pas. Les points bleus sont les composantes du son du banc : le gros point, sa fréquence fondamentale ; les petits, ses harmoniques.
Voir les valeurs de la courbe
Deux sons ont le même niveau, 20 dB : l’un à 100 Hz, l’autre à 1 000 Hz. Lesquels entends-tu ?
Lis la courbe à 100 Hz : le seuil y est vers 26 dB, et 20 dB est en dessous.
Oui : le seuil est vers 2 dB à 1 000 Hz, mais vers 26 dB à 100 Hz. L’oreille est bien moins sensible aux graves.
C’est l’inverse : l’oreille est moins sensible aux graves. Lis le seuil à 100 Hz, puis à 1 000 Hz.
La vitesse du son 2de
Le son met du temps à arriver. Pour mesurer sa vitesse, on aligne deux micros avec la source, à une distance d l’un de l’autre, et on mesure le retard Δt du second sur le premier. Passe en « Deux micros » sur le banc.
v = d ÷ Δt
v en m/s, d en mètres, Δt en secondes.
La vitesse dépend du milieu et, dans un gaz, de sa température. Le modèle du site utilise c = 331,3 × √(1 + θ ÷ 273,15) m/s, avec θ en °C hors programme.
| Son dans l’air à 0 °C | 331 m/s |
| Son dans l’air à 20 °C | 343 m/s |
| Son dans l’eau à 20 °C | 1 482 m/s |
| Son dans l’acier (selon la forme) | 5 000 à 6 000 m/s |
| Voiture sur autoroute (130 km/h) | 36 m/s |
| Avion de ligne en croisière (≈ 900 km/h) | 250 m/s |
| Lumière dans le vide | 3,00 × 108 m/s |
Au laboratoire, on frappe le bout d’une longue barre d’acier. Un micro est collé à l’autre bout de la barre, un autre est dans l’air juste à côté. Quel micro reçoit le son en premier ?
Regarde le tableau : dans quel milieu le son va-t-il le plus vite ?
La vitesse du son dépend du milieu. Compare, dans le tableau, l’air et l’acier.
Oui : dans l’acier, le son va 15 à 17 fois plus vite que dans l’air (5 000 à 6 000 m/s contre 343 m/s).
Dans l’air, un son plus fort, ou plus aigu, va-t-il plus vite ?
Au fond d’un stade, on entend le concert en retard, mais les passages forts et les passages doux gardent leur rythme. Un son plus fort transporte plus d’énergie ; il ne va pas plus vite.
Si les aigus allaient plus vite que les graves, une musique écoutée de loin arriverait en désordre, les notes aiguës avant les basses. Ce n’est pas le cas.
Exact : dans l’air, la vitesse du son dépend du milieu et de sa température, pas de la fréquence ni du niveau (pour les sons ordinaires). De loin, une musique arrive en retard, mais en rythme.
La longueur d’onde 1re
λ = v × T = v ÷ f
Pendant une période, l’onde avance d’une longueur d’onde λ : c’est la distance entre deux zones comprimées qui se suivent. Dans l’air à 20 °C : 17 m à 20 Hz, 78 cm à 440 Hz, 1,7 cm à 20 kHz.
Dans l’air, quelle note a la plus grande longueur d’onde ?
Oui : λ = v ÷ f, avec la même vitesse pour les deux. La plus petite fréquence donne la plus grande longueur d’onde : 6,9 m à 50 Hz, 6,9 cm à 5 000 Hz.
Dans λ = v ÷ f, la fréquence est au dénominateur. Une grande fréquence donne-t-elle une grande ou une petite longueur d’onde ?
Elles ont la même vitesse, pas la même fréquence. Calcule λ = v ÷ f pour chacune.
Palier 3 · Aller plus loinOrage, décibels et durée d’exposition
L’éclair, le tonnerre et l’écho 2de → 1re
La lumière de l’éclair arrive presque instantanément : 3 millionièmes de seconde pour 1 km. Le tonnerre voyage à la vitesse du son : environ 2,9 s par kilomètre dans l’air à 20 °C. Compter les secondes entre l’éclair et le tonnerre donne donc la distance de l’orage : d = v × Δt.
Pour un écho, le son fait l’aller et le retour : il parcourt 2d pendant Δt. La distance de l’obstacle est donc d = v × Δt ÷ 2.
Le niveau d’intensité sonore Tle
L = 10 log(I ÷ I0)
- L
- le niveau d’intensité sonore, en décibels (dB).
- I
- l’intensité sonore, en W/m².
- I0
- l’intensité de référence : 10−12 W/m², à peu près le seuil d’audibilité vers 1 000 Hz.
« log » est le logarithme décimal : log(10) = 1, log(100) = 2, log(2) ≈ 0,30. D’où les règles : intensité × 2 → +3 dB ; × 10 → +10 dB ; × 100 → +20 dB. L’échelle logarithmique en décibels apparaît dès l’enseignement scientifique de 1re ; la formule est exploitée en terminale.
Là où tu te trouves, un scooter produit 70 dB. Un second scooter, identique, arrive à côté du premier. Le sonomètre affiche :
Les décibels ne s’additionnent pas : ce sont les intensités qui s’ajoutent. Deux fois plus d’intensité, combien de décibels en plus ?
Oui : l’intensité double, et 10 log(2) ≈ 3 dB. Il faudrait 10 scooters pour gagner 10 dB.
L’intensité a doublé : le niveau augmente, un peu. De combien, quand I double ?
Deux fois plus fort ? hors programme
À 1 000 Hz, +10 dB, c’est une intensité multipliée par 10 et une surpression multipliée par 3,16. Pourtant, en moyenne, les auditeurs trouvent le son environ deux fois plus fort, pas dix fois. La sensation de force, la sonie, se mesure en sones : elle double à peu près tous les 10 dB, au-dessus de 40 dB (loi établie par S. S. Stevens à partir de nombreux auditeurs).
Niveau et durée : ce que fixent les textes 1re
Les sonomètres réglementaires mesurent en dB(A) : les graves et les très aigus, que l’oreille entend moins, y comptent moins (pondération A).
En France, le Code du travail (article R4431-2) fixe trois seuils pour le niveau moyen d’exposition ramené à une journée de 8 h : 80 dB(A) déclenche les premières mesures de prévention, 85 dB(A) des mesures renforcées, et 87 dB(A) est la valeur limite, protections auditives comprises.
Les textes appliquent la règle d’égale énergie : +3 dB, c’est deux fois plus d’énergie reçue par seconde, donc la même dose en deux fois moins de temps. Le NIOSH, l’institut américain de santé au travail, suit la même règle et recommande de ne pas dépasser 85 dB(A) sur 8 h : c’est le repère du laboratoire L’oreille, une recommandation sanitaire, alors que le Code du travail fixe des obligations aux employeurs.
Dans les lieux qui diffusent de la musique amplifiée (salles de concert, bars, discothèques), le code de la santé publique (article R1336-1) limite le niveau à 102 dB(A) en moyenne sur 15 minutes. Quinze minutes à 102 dB(A), c’est à peu près la même énergie que 8 heures à 87 dB(A).
Le programme d’enseignement scientifique de 1re le formule ainsi : « Au-delà de 80 dB, un son peut devenir nocif selon son intensité et sa durée d’écoute. » Ce sont les cellules ciliées de l’oreille interne qui sont atteintes, et elles ne se renouvellent pas. D’après la norme ISO 1999, après 10 ans d’exposition à raison de 8 h par jour, la perte d’audition médiane à 4 000 Hz est d’environ 1 dB à 80 dB(A), 5 dB à 85 dB(A) et 11 dB à 90 dB(A).
Tes missions
Voici les missions du palier choisi. Réponds, puis clique sur « Valider ma réponse ». Si ce n’est pas encore ça, un indice t’aide. Après trois essais, tu peux voir la solution.
Le savais-tu ?
Des faits vrais, et les calculs qui les appuient.
Les mots du module
Chaque mot, en une ou deux phrases.
- Onde sonore
- Une perturbation (compression, puis détente) qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel, sans transport de matière.
- Milieu matériel
- Ce qui porte le son : un gaz, un liquide ou un solide. Le son ne se propage pas dans le vide.
- Signal périodique
- Un signal dont le même motif se répète à intervalles de temps égaux.
- Période (T)
- La durée d’un motif complet, en secondes (s).
- Fréquence (f)
- Le nombre de motifs par seconde, en hertz (Hz) : f = 1 ÷ T.
- Hauteur
- Le caractère grave ou aigu d’un son. Elle dépend de la fréquence.
- Timbre
- Ce qui distingue deux instruments qui jouent la même note. Il dépend de la forme du signal.
- Amplitude
- L’écart maximal du signal par rapport à zéro : ici, la surpression maximale.
- Intensité sonore (I)
- La puissance transportée par l’onde à travers un mètre carré, en W/m².
- Niveau d’intensité sonore (L)
- La grandeur affichée par le sonomètre, en décibels (dB). L’échelle est logarithmique : +10 dB quand l’intensité est multipliée par 10.
- Seuil d’audibilité
- Le niveau le plus faible qu’une oreille entend, à une fréquence donnée.
- Infrason, ultrason
- Un son de fréquence inférieure à 20 Hz, ou supérieure à 20 kHz : l’oreille humaine ne l’entend pas.
- Longueur d’onde (λ)
- La distance parcourue par l’onde pendant une période : λ = v × T.
- dB(A)
- Un niveau pondéré pour suivre la sensibilité de l’oreille : les graves et les très aigus y comptent moins.
- Oscilloscope
- Un appareil qui trace une tension en fonction du temps. Relié à un micro, il montre la forme d’un son.
Pour les parents et les enseignantsouvrir
Objectifs
- Relier un son à la vibration d’une source et à sa propagation dans un milieu matériel.
- Mesurer une période sur plusieurs motifs et en déduire la fréquence (f = 1/T), en unités SI.
- Relier la fréquence à la hauteur, la forme du signal au timbre, l’amplitude au niveau.
- Mesurer la vitesse du son avec deux micros et la comparer à d’autres vitesses.
- Lire une échelle de niveaux et une courbe de seuil d’audibilité ; savoir que +10 dB multiplie l’intensité par 10.
- Résoudre des problèmes avec des ordres de grandeur : écho, orage, durée d’exposition.
Notions
Onde sonore, milieu matériel, signal périodique, période, fréquence, hauteur, timbre, amplitude, vitesse de propagation, intensité et niveau d’intensité sonore, décibel, seuil d’audibilité, infrasons et ultrasons, longueur d’onde (1re), L = 10 log(I/I₀) (Tle).
Déroulé (20 à 30 minutes)
Palier 1 : manipuler l’oscilloscope, mesurer une période, prédire l’effet de la hauteur et du niveau. Palier 2 : f = 1/T, niveau en décibels, seuil d’audibilité, mesure de la vitesse du son. Palier 3 : écho et orage, calculs en décibels, règle d’égale énergie.
Idées fausses travaillées
« Le son se propage dans le vide » ; « l’air voyage avec le son » ; « un son fort ou aigu va plus vite » ; confondre la hauteur (fréquence) et la force (niveau) ; « deux sons de 70 dB font 140 dB » ; « +10 dB, c’est un peu plus d’intensité ». Ces idées résistent souvent jusque dans l’enseignement supérieur (Linder 1993 ; Hrepic, Zollman et Rebello 2010).
À faire en vrai
Avec une application d’oscilloscope sur smartphone, chante une voyelle tenue et mesure ta période sur plusieurs motifs : quelle est ta fréquence ? Chante une octave plus haut : la période est-elle divisée par 2 ?
Programme suivi
- Physique-chimie de seconde générale et technologique : arrêté du 17 janvier 2019 (NOR MENE1901634A, JORF du 20 janvier 2019), Bulletin officiel spécial n° 1 du 22 janvier 2019. En vigueur depuis la rentrée 2019, sans modification en 2026-2027. Thème « Ondes et signaux », partie 1 « Émission et perception d’un son ».
- Ce qui en vient : émission par une vibration, caisse de résonance, rôle du milieu ; vitesse du son (la citer, la comparer, la mesurer) ; signal périodique, période, fréquence, f = 1/T, mesure d’une période ; hauteur, timbre, lien qualitatif entre amplitude, intensité et niveau ; sons audibles, infrasons, ultrasons ; échelle de niveaux et dangers de l’exposition.
- Un cran au-dessus, marqué d’un badge : la longueur d’onde λ = v × T et l’exploitation d’un retard (spécialité de 1re, « Ondes mécaniques », arrêté du 17 janvier 2019, NOR MENE1901635A) ; le seuil d’audibilité, l’échelle logarithmique et la phrase sur les 80 dB (enseignement scientifique de 1re, annexe de l’arrêté du 30 mai 2023, BO n° 25 du 22 juin 2023) ; L = 10 log(I/I₀) (spécialité de terminale, arrêté du 19 juillet 2019, NOR MENE1921249A, BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019). Hors programme : la vitesse du son selon la température et la sonie en sones.
- Pas de plafond : les badges disent où chaque outil se trouve dans les programmes ; ils ne limitent rien.
Textes lus sur Légifrance et dans les annexes publiées au Bulletin officiel (consultés en septembre 2026).
Ce que le module simplifie
Les timbres sont synthétisés à partir de spectres simplifiés (quelques harmoniques), pas enregistrés ; le claquement est stylisé. Le sonomètre du banc affiche un niveau non pondéré (dB), alors que les textes réglementaires parlent en dB(A). Le seuil d’audibilité est une médiane de jeunes adultes ; au-delà de 12,5 kHz, la courbe est un ordre de grandeur. Le son joué par l’appareil n’est pas au niveau affiché. Les exemples de l’échelle des niveaux sont des ordres de grandeur.
Sources
Les calculs viennent des modèles des laboratoires de l’oreille (acoustics.js), du son au numérique (signal.js) et de la foudre (lightning.js), et du modèle du module (modele.js), qui les réunit.
- ISO 226:2003. Acoustique : lignes isosoniques normales. Seuil d’audition en champ libre, jeunes adultes (valeurs médianes).
- Stevens S.S. (1957). On the psychophysical law. Psychological Review 64:153–181. La sonie double à peu près tous les 10 phones.
- ISO 1999:1990. Acoustique : détermination de l’exposition au bruit en milieu professionnel et estimation du dommage auditif induit par le bruit. ISO 7029:2000. Distribution statistique des seuils d’audition en fonction de l’âge.
- Peterson G.E., Barney H.L. (1952). Control methods used in a study of the vowels. J. Acoust. Soc. Am. 24:175–184. Formants de la voyelle « a ».
- Fletcher N.H., Rossing T.D. (1998). The Physics of Musical Instruments, 2e éd. Springer. Spectres de la flûte et de la clarinette.
- Del Grosso V.A., Mader C.W. (1972). Speed of sound in pure water. J. Acoust. Soc. Am. 52:1442–1446.
- Directive 2003/10/CE du 6 février 2003 (exposition des travailleurs au bruit) ; Code du travail, articles R4431-1 et R4431-2 ; code de la santé publique, article R1336-1 (décret n° 2017-1244 du 7 août 2017). NIOSH (1998). Criteria for a Recommended Standard: Occupational Noise Exposure, Revised Criteria 1998, publication DHHS (NIOSH) n° 98-126 : 85 dB(A) sur 8 h, durée divisée par 2 tous les 3 dB.
- Heffner H.E. (1983). Hearing in large and small dogs. Behavioral Neuroscience 97:310–318. Payne K.B., Langbauer W.R., Thomas E.M. (1986). Infrasonic calls of the Asian elephant. Behavioral Ecology and Sociobiology 18:297–301.
- ISO 16:1975. Acoustique : fréquence étalon d’accord (diapason normal), 440 Hz.
- Linder C.J. (1993). University physics students’ conceptualizations of factors affecting the speed of sound propagation. International Journal of Science Education 15:655–662. Hrepic Z., Zollman D.A., Rebello N.S. (2010). Identifying students’ mental models of sound propagation. Physical Review Special Topics – Physics Education Research 6:020114.
- Ministère de l’Éducation nationale. Programmes de physique-chimie de seconde et de spécialité de 1re (BO spécial n° 1 du 22 janvier 2019), de spécialité de terminale (BO spécial n° 8 du 25 juillet 2019) ; enseignement scientifique de 1re (BO n° 25 du 22 juin 2023).