17 : Son

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Le son est un exemple d'onde mécanique, plus précisément d'onde de pression : les ondes sonores se déplacent dans l'air et dans d'autres milieux sous forme d'oscillations de molécules. L'audition humaine normale couvre une gamme impressionnante de fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz. Les sons inférieurs à 20 Hz sont appelés infrasons, tandis que ceux supérieurs à 20 kHz sont appelés ultrasons. Certains animaux, comme la chauve-souris, peuvent entendre des sons dans la gamme des ultrasons. De nombreux concepts abordés dans Waves ont également des applications dans l'étude du son. Par exemple, lorsqu'une onde sonore rencontre une interface entre deux supports ayant des vitesses d'onde différentes, la réflexion et la transmission de l'onde se produisent. L'échographie a de nombreuses utilisations en science, en ingénierie et en médecine. Les ultrasons sont utilisés pour les essais non destructifs en ingénierie, tels que le contrôle de l'épaisseur du revêtement sur le métal. En médecine, les ondes sonores sont beaucoup moins destructrices que les rayons X et peuvent être utilisées pour imager le fœtus dans le ventre de la mère sans danger pour le fœtus ou la mère. Plus loin dans ce chapitre, nous discuterons de l'effet Doppler, qui peut être utilisé pour déterminer la vitesse du sang dans les artères ou la vitesse du vent dans les systèmes météorologiques.

17.1 : Prélude au son
Le son est un exemple d'onde mécanique, plus précisément d'onde de pression : les ondes sonores se déplacent dans l'air et dans d'autres milieux sous forme d'oscillations de molécules. L'audition humaine normale couvre une gamme impressionnante de fréquences allant de 20 Hz à 20 kHz. Les sons inférieurs à 20 Hz sont appelés infrasons, tandis que ceux supérieurs à 20 kHz sont appelés ultrasons. Certains animaux, comme les chauves-souris, peuvent entendre des sons dans la gamme des ultrasons.
17.2 : Ondes sonores
Le son est une perturbation de la matière (une onde de pression) transmise de sa source vers l'extérieur. L'ouïe est la perception du son. Le son peut être modélisé en termes de pression ou de déplacement de molécules. L'oreille humaine est sensible aux fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz.
17.3 : Vitesse du son
La vitesse du son dépend du support et de l'état du support. Dans un fluide, en raison de l'absence de forces de cisaillement, les ondes sonores sont longitudinales. Un solide peut supporter des ondes sonores longitudinales et transversales. La vitesse du son est la même pour toutes les fréquences et toutes les longueurs d'onde du son dans l'air.
17.4 : Intensité sonore
L'intensité est la même pour une onde sonore que celle qui a été définie pour toutes les vagues, où P est la zone de croisement de puissance A. L'unité SI pour I est le watt par mètre carré. Le niveau d'intensité sonore en unités de décibels (dB) est égal au logarithme du rapport entre l'intensité entendue et l'intensité seuil d'audition. La perception de la fréquence est la hauteur. La perception de l'intensité est le volume et le volume a des unités de téléphone.
17.5 : Modes normaux d'une onde sonore stationnaire
Les sons indésirables peuvent être réduits par des interférences destructrices. Le son possède les mêmes propriétés d'interférence et de résonance que celles définies pour toutes les ondes. Dans les colonnes d'air, la résonance de fréquence la plus basse est appelée fondamentale, tandis que toutes les fréquences de résonance supérieures sont appelées harmoniques. Collectivement, elles sont appelées harmoniques.
17.6 : Sources du son musical
Certains instruments de musique peuvent être modélisés sous forme de tuyaux présentant des conditions limites symétriques : ouvert/fermé aux deux extrémités. D'autres peuvent être modélisés comme des tuyaux présentant des conditions limites antisymétriques : fermés à une extrémité et ouverts à l'autre. Les instruments à cordes produisent du son à l'aide d'une corde vibrante avec des nœuds à chaque extrémité. L'air qui entoure la corde oscille à la fréquence de la corde. La relation entre les fréquences de la corde est similaire aux conditions limites symétriques du tube.
17.7 : Beats
Lorsque deux ondes sonores de fréquence différente interfèrent, des battements sont créés avec une fréquence de battement égale à la valeur absolue de la différence entre les fréquences des ondes sonores.
17.8 : L'effet Doppler
L'effet Doppler est une modification de la fréquence observée d'un son due au mouvement de la source ou de l'observateur. Le changement réel de fréquence est appelé décalage Doppler.
17.9 : Ondes de choc
Le nombre de Mach est la vitesse d'une source divisée par la vitesse du son. Lorsqu'une source sonore se déplace plus rapidement que la vitesse du son, une onde de choc se produit lorsque les ondes sonores interfèrent. Un boom sonore est le son intense qui se produit lorsque l'onde de choc se déplace sur le sol. Un sillage de proue se produit lorsqu'un objet se déplace à une vitesse supérieure à la vitesse d'une onde mécanique dans le milieu, comme un bateau se déplaçant dans l'eau.
17.E : Son (exercices)
17.S : Son (Résumé)

Figure miniature 17.1 - L'ouïe est un sens humain important qui permet de détecter des fréquences sonores comprises entre 20 Hz et 20 kHz. Cependant, d'autres espèces ont des gammes auditives très différentes. Les chauves-souris, par exemple, émettent des clics par ultrasons, à des fréquences supérieures à 20 kHz. Ils peuvent détecter les insectes à proximité en entendant l'écho de ces clics ultrasonores. Les ultrasons jouent un rôle important dans plusieurs applications humaines, notamment pour sonder les structures intérieures du corps humain, de la Terre et du Soleil. Les ultrasons sont également utiles dans l'industrie pour les contrôles non destructifs. (source : modification de l'œuvre d'Angell Williams)