Exercice III. Tuyaux sonores 4pts spé

Amérique du nord 2008 Exercice III : TUYAUX SONORES (4 POINTS)
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1. Ondes sonores
1.1. L'onde sonore qui se propage dans l'air est une onde mécanique,
progressive et longitudinale.
1.2. Soit t0 la date de début d'émission du son.
Soit t1 la date à laquelle le son parvient à l'oreille la plus proche.
Soit t2 la date à laquelle le son parvient à la
seconde oreille. v = [pic] = [pic]
avec t0 = 0 : v = [pic] soit t1 = [pic]
v = [pic] soit t2 = [pic] Le retard étant supérieur à 1,0(10-4 s, l'auditeur peut déterminer la
direction de la source sonore.
2. Tuyaux sonores à embouchure de flûte
2.1. Tuyau sonore ouvert aux deux extrémités
2.1.1. Dans la colonne d'air, il s'établit des ondes stationnaires.
2.1.2. La fréquence du son caractérise sa hauteur.
2.1.3. Pour une corde tendue, deux ventres (ou deux n?uds) consécutifs sont
séparés d'une distance d = [pic] D'autre part ( = [pic].
D'après le texte, à une extrémité ouverte, est toujours situé un ventre de
vibration.
Ainsi dans le tuyau de longueur L, il y a un nombre entier de demi-
fuseaux : L = n. [pic].
En considérant que le tuyau vibre suivant le mode fondamental : n = 1.
Si on note f la fréquence du mode fondamental, alors L = [pic] = [pic].
2.1.4. D'après la relation précédente L = [pic], plus f diminue et plus L
augmente.
Un son de basse fréquence est perçu comme étant grave.
L'affirmation « À un tuyau long, correspond un son grave » est donc vraie.
2.1.5. L'harmonique de rang 2 du tuyau de longueur L a pour fréquence f2 =
2 f.
Cette fréquence f2 correspond au fondamental du tuyau de longueur L2.
L2 = [pic] = [pic], comme L = [pic] alors L2 = [pic].
2.2. Tuyau sonore fermé à une extrémité
2.2.1. Pour une corde tendue entre deux points fixes :
- soit q la distance entre un ventre et un n?ud,
- soit ( la longueur d'onde.
On a : q = [pic]
Pour le tuyau : D'après le texte, à une extrémité fermée, est toujours
situé un n?ud de vibration ; à une extrémité ouverte, est toujours situé un
ventre de vibration. D'autre part ( = [pic].
Si on note f0 la fréquence du mode fondamental, alors L0 = [pic] = [pic],
finalement f0 = [pic]
2.2.2. Pour le tuyau ouvert aux deux extrémités L = [pic].
Pour le tuyau fermé à une extrémité L0 = [pic].
Les deux tuyaux ont même longueur L = L0, alors [pic] = [pic] donc 2f.v
=4f0.v, ou 2f = 4f0.
Finalement f = 2 f0, l'affirmation « Un tuyau ouvert aux deux extrémités
sonne avec une fréquence double de celle d'un tuyau de même longueur fermé
à une extrémité » est vraie.
2.3. Influence de la température sur la fréquence du son émis
2.3.1. v = k.[pic] soit k = [pic]
Et v' = k. [pic], soit k = [pic]
2.3.2. Au 2.1.3. on a établi L = [pic], soit v = 2L.f.
De la même manière v' = 2L.f ', la longueur du tuyau n'a pas changé.
2L.f ' = 2L.f .[pic]
f ' = f .[pic]
2.3.3. [pic]= [pic] = [pic]
log [pic] = log [pic] = [pic]log [pic]
La température ( = 15°C, et T = 273,15 + (, donc T = 288 K
addition : on ne garde pas de décimales puisque (
n'en comporte pas.
La température augmente de 7°C soit 7 K alors T' = 295 K
log [pic] = [pic]log [pic] = 5,21.10-3 . Cette valeur est proche, voire
égale à celle à partir de laquelle l'oreille distingue les deux sons
(l'énoncé donnant ce rapport avec un seul chiffre significatif : 5.10-3 ).
Ainsi on peut penser que l'oreille ne distinguerait pas les deux sons ou
alors avec beaucoup de difficulté. N'hésitez pas à signaler une éventuelle erreur par courriel :
labolycee@gmail.com
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d2= 7,20 m d1 = 7,10 m SOURCE SONORE S ( = t2 - t1 est le retard de perception entre les oreilles.
( = [pic] - [pic]= [pic]
( = [pic] = 2,94(10-4 s ( d d V N V ( V N L0 = [pic] [pic] = [pic] alors v' = [pic]= [pic] q