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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.

Au programme de seconde (physique-chimie) ⏱ 20 à 30 min 8 missions 🔈 Son facultatif, volume bas
La source
Base de temps
Échelle verticale

Écart entre les curseurs

Tu peux aussi tirer les curseurs directement sur l’écran.

Période T
Fréquence f
Sonomètre
Oreille jeune

⚠ 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.

Vitesse du son (modèle)

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 ?

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.

  1. Place le curseur 1 là où la courbe passe par zéro en montant.
  2. Place le curseur 2 au même endroit d’un motif suivant : même valeur, même sens. L’écart Δt s’affiche sous l’écran.
  3. 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 ?

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…

Le son devient plus fort, sur la même note. Les motifs vont…

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 ?

Choisis « Souffle ». Peux-tu mesurer une période ?

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.

  1. ISO 226:2003. Acoustique : lignes isosoniques normales. Seuil d’audition en champ libre, jeunes adultes (valeurs médianes).
  2. Stevens S.S. (1957). On the psychophysical law. Psychological Review 64:153–181. La sonie double à peu près tous les 10 phones.
  3. 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.
  4. 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 ».
  5. Fletcher N.H., Rossing T.D. (1998). The Physics of Musical Instruments, 2e éd. Springer. Spectres de la flûte et de la clarinette.
  6. Del Grosso V.A., Mader C.W. (1972). Speed of sound in pure water. J. Acoust. Soc. Am. 52:1442–1446.
  7. 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.
  8. 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.
  9. ISO 16:1975. Acoustique : fréquence étalon d’accord (diapason normal), 440 Hz.
  10. 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.
  11. 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).