Sons et effet Doppler
Une fiche complète pour maîtriser le niveau d’intensité sonore, l’atténuation des sons, les caractéristiques des ondes sonores et l’effet Doppler dans les situations de rapprochement ou d’éloignement.
En résumé
Un son est une onde mécanique progressive qui transporte de l’énergie sans transport global de matière. Son niveau d’intensité sonore s’exprime en décibels. Lorsqu’une onde sonore se propage, elle peut être atténuée par l’éloignement ou par absorption. L’effet Doppler correspond à une variation de la fréquence perçue lorsque l’émetteur et le récepteur sont en mouvement relatif.
Ce qu’il faut savoir faire
- Calculer ou interpréter un niveau d’intensité sonore en décibels.
- Comprendre la relation entre intensité sonore, distance et atténuation.
- Distinguer atténuation géométrique et atténuation par absorption.
- Relier fréquence, longueur d’onde et célérité d’une onde sonore.
- Interpréter qualitativement l’effet Doppler.
- Utiliser les expressions simplifiées du décalage Doppler selon la situation.
- Exploiter l’effet Doppler pour déterminer une vitesse.
- Relier le Doppler sonore au Doppler-Fizeau pour les ondes électromagnétiques.
1. Le niveau d’intensité sonore
L’intensité sonore I correspond à la puissance sonore reçue par unité de surface. Elle s’exprime en W·m−2. Comme l’oreille humaine perçoit les sons sur une très grande plage d’intensités, on utilise une échelle logarithmique : le niveau d’intensité sonore.
Le niveau sonore L s’exprime en décibels dB. L’intensité de référence vaut généralement I0 = 1,0 × 10−12 W·m−2, proche du seuil d’audibilité.
Atténuation en décibels
L’atténuation entre deux points peut s’écrire comme la différence des niveaux sonores :
2. Atténuation des sons
a. Atténuation géométrique
Lorsqu’un son se propage dans l’air à partir d’une source ponctuelle, l’énergie sonore se répartit sur des surfaces de plus en plus grandes. L’intensité sonore diminue donc lorsque la distance à la source augmente.
Pour une propagation sphérique, la surface de répartition augmente comme le carré de la distance. Ainsi, en l’absence d’absorption, l’intensité sonore diminue quand on s’éloigne.
b. Atténuation par absorption
Lorsqu’une onde sonore rencontre une paroi, un obstacle ou un milieu absorbant, une partie de l’énergie peut être transformée en énergie thermique. L’onde transmise ou réfléchie est alors moins intense.
3. L’effet Doppler
a. Présentation
L’effet Doppler est la modification de la fréquence reçue lorsqu’un émetteur et un récepteur sont en mouvement relatif. Il est perceptible par exemple lorsqu’un véhicule émettant une sirène se rapproche puis s’éloigne.
b. Expression du décalage Doppler
Lorsque la vitesse relative entre l’émetteur et le récepteur est faible devant la célérité de l’onde, le décalage en fréquence peut être relié à la vitesse de rapprochement ou d’éloignement. Le principe est le suivant :
Dans les exercices, on utilise les formules adaptées à la situation : émetteur mobile, récepteur mobile ou approximation à faible vitesse. Le signe du décalage dépend du sens du mouvement relatif.
4. Applications de l’effet Doppler
a. Mesure de vitesse
L’effet Doppler permet de déterminer la vitesse d’un véhicule, d’un objet ou d’un fluide en comparant la fréquence émise et la fréquence reçue. C’est le principe utilisé dans certains radars de contrôle, en imagerie médicale Doppler, ou pour étudier des écoulements.
b. Effet Doppler-Fizeau
Le même principe existe pour les ondes électromagnétiques. Si une source lumineuse s’éloigne, les longueurs d’onde observées peuvent être décalées vers le rouge. Si elle se rapproche, elles peuvent être décalées vers le bleu.
Mots-clés à connaître
Chaque notion renverra vers le Lexique Physique-Chimie lorsqu’il sera finalisé.
Carte mentale de synthèse
Erreurs fréquentes
L’intensité se mesure en W·m⁻² ; le niveau sonore se mesure en dB.
Une variation de quelques décibels ne correspond pas à une simple variation proportionnelle.
Rapprochement : fréquence reçue plus élevée ; éloignement : fréquence reçue plus faible.
L’effet Doppler modifie la fréquence perçue par le récepteur, pas celle produite par la source.
La fréquence est en Hz, la célérité en m·s⁻¹, la longueur d’onde en mètre et le niveau sonore en dB.
QCM interactif
Clique sur une réponse : la case devient verte si elle est correcte et rouge si elle est fausse.
1. Le niveau d’intensité sonore se mesure en :
2. L’intensité sonore s’exprime en :
3. Quand la distance à une source sonore augmente, l’intensité sonore reçue :
4. Une atténuation sonore positive signifie que :
5. L’atténuation géométrique est liée :
6. L’atténuation par absorption correspond à :
7. Lorsqu’un émetteur sonore se rapproche d’un récepteur immobile, la fréquence reçue est :
8. Lorsqu’un émetteur sonore s’éloigne d’un récepteur immobile, la fréquence reçue est :
9. Si émetteur et récepteur sont immobiles l’un par rapport à l’autre, l’effet Doppler :
10. L’effet Doppler permet de déterminer :
11. Dans l’effet Doppler-Fizeau appliqué à la lumière, un décalage vers le rouge indique souvent :
12. La relation entre célérité, longueur d’onde et fréquence est :
Mini-entraînement
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Exercice 1
Une source sonore produit une intensité I = 1,0 × 10−6 W·m−2. Calculer le niveau sonore correspondant avec I0 = 1,0 × 10−12 W·m−2.
Correction : L = 10 log(I/I₀) = 10 log(10⁶) = 60 dB.
Exercice 2
Un son est mesuré à 78 dB près d’une route et à 62 dB derrière un écran acoustique. Calculer l’atténuation.
Correction : A = 78 − 62 = 16 dB. L’écran réduit donc le niveau sonore de 16 dB.
Exercice 3
Une ambulance s’approche d’un observateur immobile. La fréquence reçue est-elle plus grande ou plus petite que la fréquence émise ?
Correction : lorsqu’il y a rapprochement, les fronts d’onde sont reçus plus fréquemment : la fréquence reçue est plus grande.
Exercice 4
Un spectre lumineux provenant d’un astre est décalé vers le rouge. Que peut-on en déduire qualitativement ?
Correction : un décalage vers le rouge correspond généralement à une augmentation de la longueur d’onde observée : l’astre s’éloigne.