Autour de l'oreille : hauteur, timbre et niveau sonore
Cet exercice de spécialité de 4 points du bac S Antilles-Guyane rattrapage 2010 étudie l'oreille comme détecteur sonore. Il s'appuie sur des enregistrements de tension, un spectre, la définition du niveau sonore et le diagramme de Fletcher et Munson. Il mobilise surtout de la lecture de graphiques et des raisonnements courts, avec quelques calculs de logarithmes.
Partie 1 : les caractéristiques d'un son
La hauteur d'un son est la fréquence de son fondamental : un son grave a une fréquence faible, un son aigu une fréquence élevée. Sur l'enregistrement 1, on mesure plusieurs périodes pour gagner en précision : 4 périodes durent 8,0 ms, donc T = 2,0 ms et f = 5,0 × 102 Hz. Le corrigé conseille de toujours convertir les millisecondes en secondes avant d'inverser la période.
L'enregistrement 2 garde la même période mais son amplitude passe de 2 V à 5 V : c'est l'intensité du son qui a augmenté, la hauteur et le timbre étant inchangés. Il faut lire les graduations de l'axe vertical, car les deux courbes se ressemblent beaucoup à l'œil. L'enregistrement 3 est périodique mais non sinusoïdal. Son spectre présente quatre pics régulièrement espacés, le quatrième à 2000 Hz : les harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale, donc f1 = 2000/4 = 500 Hz, la même hauteur que les sons 1 et 2. La différence vient de la composition en harmoniques : le paramètre mis en évidence est le timbre.
Partie 2 : niveau sonore et sensibilité de l'oreille
À partir de L = 10 log(I/I0), on isole l'intensité : pour L = 50 dB, I = I0 × 105 = 1,0 × 10-7 W·m-2. Avec deux sources identiques, l'intensité double et le niveau augmente de 10 log 2, soit environ 3 dB : L2 = L1 + 3 dB. Le corrigé souligne le piège : ce sont les intensités qui s'additionnent, pas les niveaux sonores, et deux sources de 50 dB donnent 53 dB, pas 100 dB.
Le diagramme de Fletcher et Munson se lit avec méthode. Les sons aigus sont à droite, vers 20 kHz, les sons graves à gauche, vers 20 Hz. Le point le plus bas de la courbe « minimum audible » se situe vers 4000 Hz, là où l'oreille est la plus sensible ; l'axe étant logarithmique, il faut bien repérer les graduations. Pour deux sons de 60 dB, l'un à 50 Hz et l'autre à 100 Hz, le niveau perçu se lit sur la courbe d'isotonie qui passe par chaque point : environ 30 dB pour le premier, 50 dB pour le second. Le son de 100 Hz est donc perçu plus fort, alors que les deux sources ont le même niveau.
Conseils
Cet exercice récompense la précision des lectures graphiques et la justification des réponses. Indiquez toujours le nombre de périodes mesurées, citez la grandeur qui varie et expliquez pourquoi les autres restent constantes. Prévoyez environ 52 minutes pour le traiter.