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date de publication29.11.2019
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Physique - Chimie

Terminale Série S


« Il m'est arrivé de prêter l'oreille à un sourd. Il n'entendait pas mieux. »

Raymond Devos



Thème : Observer – Ondes et matière.



Type de ressources : Activités documentaires et expérimentales.



Notions et contenus :

  • Ondes sonores et ultrasonores,

  • Intensité sonore,

  • Niveau d’intensité sonore,





Compétences à acquérir :


  • Analyser une onde sonore,

  • Connaître et exploiter la relation liant le niveau d’intensité sonore à l’intensité sonore.





Compétences scientifiques évaluées :


  • Extraire une information utile,

  • Formuler des hypothèses,

  • Analyser un résultat expérimental.





Résumé :
Ce document, conçu sous la forme de trois activités, traite des grandeurs acoustiques permettant de prendre en compte l’énergie transportée par une onde sonore :


  • Activité 1 : première approche et utilisation du vocabulaire adapté,




  • Activité 2 : définir et exploiter la relation liant le niveau d’intensité sonore à l’intensité sonore,




  • J’apprends à rédiger : exercice utilisant un vocabulaire adapté uniquement axé sur cet aspect.





Mots clefs : Onde sonore, fréquence, l’intensité sonore, intensité sonore, niveau d’intensité sonore.



Quelle grandeur physique permet au mieux de tenir compte des spécificités de l'audition humaine ?



Table des matières


1.Activité 1: Un concert de trop (Travail préliminaire à faire à la maison) 6

2.Activité 2: Qu’est-ce qu’une bonne oreille (Travail en classe entière) 8

3.J’apprends à rédiger : Examen d’audiogrammes médicaux 10



1.Activité 1: Un concert de trop (Travail préliminaire à faire à la maison)


Document 1 : Source : http://www.french.youth.hear-it.org/Un-concert-de-trop

Interview du Dr. Doria Maria Denk, professeur à la clinique ORL de l'Université de Vienne

«Je vois beaucoup de patients avec des acouphènes, sifflements ou tintements aux oreilles ou une déficience auditive qui survient suite à un concert de musique pop, un volume à fond sur un Mp3, des sorties fréquentes dans les boîtes de nuit.

Les médecins ORL en Allemagne ont enregistré les niveaux de bruit de plusieurs discothèques. Ils y ont trouvé des niveaux de bruit aussi élevé que le décollage d'un avion à réaction.

Si vous ne voulez pas abandonner les sorties en boîte et les concerts, il faut au minimum que vous portiez des bouchons d'oreille.

Les très populaires iPods, lecteurs Mp3 peuvent être la cause de ces problèmes auditifs vu que les jeunes utilisent ces appareils plus longtemps et plus forts que ce qui est conseillé.

Les petits bouchons d’écouteur, en particulier, sont nuisibles pour la capacité auditive vu qu’ils sont moins efficaces à bloquer le bruit extérieur que les écouteurs classiques. Ceci encourage l’auditeur à augmenter le volume sonore.


Document 2 :

La proportion des troubles auditifs chez les jeunes (moins de 20 ans) est en augmentation. De plus, 23% des 15-19 ans et 27% des 20-24 ans ont des difficultés à suivre une conversation à voie basse.

Lors de la conférence du Pr Jean-Luc Puel (membre de l'équipe de l'INSERM dirigée par Rémy Pujol) à Sète le 18 avril 2006 : « Quand il existe un problème au niveau du pavillon, du tympan ou des osselets, on sait comment les traiter. En revanche, quand les sièges des problèmes sont dans l’oreille interne, on n’a pour l’instant aucun moyen de les traiter ».



Source : fr.wikipedia.org
Le système auditif humain est un détecteur convertissant les ondes sonores en signaux électriques, transmis au cerveau par le nerf auditif.




Document 3 :
Source : terre-finance.fr

Document 4 :

Source : bruit.agglo-tours.fr




Questions :

  • Quels facteurs peuvent influencer l’ampleur de la perte auditive liée au bruit ?

Le niveau d'exposition sonore, c'est-à-dire l'intensité du bruit et la durée d'exposition sonore  

  • Donner des exemples d’émetteurs d’ondes sonores. (HP, instruments de musiques…)

  • Compléter le document ci-dessous en ajoutant le domaine de l’audible de l’homme. . Où se situent ce qu’on appelle couramment les sons aigus ? Même question concernant les sons graves ?


20 Hz

20 kHz

40 kHz

120 kHz

200 kHz

chien

Chauve-souris

Dauphin

  • Proposer un protocole permettant de vérifier vos connaissances.

Un GBF alimente un haut-parleur puis on modifie la fréquence du son émis en cherchant les valeurs extrêmes du domaine audible. Eventuellement le faire en début de séance.

  • Justifier que l’intensité sonore est en W.m². J/(s.m²)

  • A partir de quelle valeur la musique jouée peut-elle endommager de manière permanente la capacité auditive ? 85dB

  • Quelle est la grandeur acoustique qui s’exprime en décibel ? Niveau d’intensité sonore

  • Comment expliquer les règles d’addition de cette grandeur ? Propositions diverses



2.Activité 2: Qu’est-ce qu’une bonne oreille (Travail en classe entière)


On mutualise les réponses du travail préparatoire fait à la maison sauf les deux dernières questions.

Remarque : Mesurer l’intensité sonore pendant que les élèves s’installent en toute discrétion.


  • Comment peut-on visualiser l’intensité sonore ? De quel paramètre physique l’intensité d’un son dépend-elle ?

Expérience en classe :

Ecouter et visualiser à l’ordinateur, une même note jouée par un même instrument ou un son produit par un GBF mais à des intensités différentes. (Utiliser le logiciel audacity) ou produire les documents suivants :

Le document qui suit présente deux enregistrements avec deux tensions de sortie différente, à l’aide d’un logiciel d’acquisition adapté, du son produit par un haut-parleur alimenté par un générateur de fréquence.


Enregistrement 1

Enregistrement 2








Questions :

  • Quelle est la grandeur caractéristique de la vibration sonore qui varie quand le son devient plus « fort » ? l’amplitude

  • Mesurer l’intensité sonore et après avoir fait le silence. Les faire réagir aux valeurs trouvées et réinvestir les informations vues précédemment.

Conclusion : Le bruit se mesure quantitativement et plus l'intensité est forte, plus l'oreille est "sollicitée".  

Présenter le sonomètre.

Le sonomètre mesure le niveau d’intensité sonore en décibels (dB).
Questions : que représentent les « dB » ? (Fournir les documents suivants :)
Document 5 : Notions d’acoustiques

  • L’émission d’une onde sonore a pour origine une vibration mécanique.

  • L’intensité sonore I est l’énergie transportée par une onde sonore par unité de temps. Elle s’exprime en watt par mètre au carré (W.m²)

Le niveau d’intensité sonore L (Level) d’un son d’intensité I est donné par la relation : L=10log(I/I0).

I0 = 10–12 W.m² l’intensité sonore de référence est celle du seuil minimum d’audibilité moyenne de l’oreille humaine. L s’exprime en dB et se mesure avec un sonomètre.

Point Maths :
Document 6 : La sensibilité de l’oreille Source : bac 2010 Antilles

La sensibilité de l’oreille, c’est à dire sa capacité à entendre, ne sera pas la même selon la hauteur du son parvenant à l’oreille de l’auditeur. D’autre part, un son émis par une source avec un certain niveau sonore ne sera pas perçu par l’oreille avec ce même niveau sonore. Ces différentes caractéristiques sont résumées dans le diagramme suivant appelé diagramme de Fletcher et Munson.

Ce diagramme montre des courbes d’isotonie (même niveau sonore perçu par l’oreille) en fonction de la hauteur du son. La courbe de niveau 0, nommée sur ce graphe « MINIMUM AUDIBLE » indique le niveau sonore minimal que doit posséder un son pour que celui-ci puisse être audible.

Si l’on considère par exemple un son de hauteur 50 Hz, l’oreille ne pourra le détecter que si son niveau sonore vaut environ 42 dB. (point A sur le diagramme)

De même, un son de niveau sonore 80 dB et de hauteur 50 Hz ne sera perçu au niveau de l’oreille qu’avec un niveau sonore de 60 dB. (point B sur le diagramme)
Questions :

  • Quelle est la sensibilité de l’oreille humaine ?

Expérience qualitative faite par le professeur : On fait varier la fréquence du son en conservant l’amplitude du signal sensiblement constante.

  • Que constate-t-on ? La sensation d'intensité du sonomètre ne traduit pas réellement la sensation sonore : notre oreille perçoit les sons médiums plus forts et plus gênants que les sons graves et les sons aigus alors que la mesure physique (en dB) est identique.

  • En vous aidant des documents quels sont les niveaux d’intensité sonore L minimal et maximal perçues par l’oreille humaine ? 0 et environ 120 dB

  • Quel sont les intensités sonores I correspondants ? 10–12 et 1 W/m²

  • Que peut-on dire sur l’étendue de ces valeurs ?

La gamme des intensités est extrêmement étendue

  • L’intensité sonore du seuil d’audibilité est-elle la même pour toutes les fréquences audibles ?

Le seuil d'audibilité dépend de la fréquence.

  • Sur le document 6, placer le point sur la courbe de niveau 0, qui permette de justifier que la sensibilité maximale de l’oreille se situe autour de 4000 Hz.

  • On considère deux sons de même niveau sonore 60 dB. L’un de fréquence 50 Hz et l’autre de fréquence 100 Hz. En utilisant le diagramme de Fletcher et Munson, déterminer avec quel niveau sonore sera perçu chacun de ces sons par l’oreille.

On montrera par un tracé sur le diagramme de Fletcher et Munson, les points représentatifs de ces deux sons.

Le son de niveau sonore 60 dB et de fréquence 50 Hz est perçu par l’oreille avec un niveau sonore L= 30 dB. Le son de niveau sonore 60 dB et de fréquence 100 Hz est perçu par l’oreille avec un niveau sonore L= 50 dB.

  • Parmi ces deux sons, lequel sera perçu avec le plus d’intensité par l’oreille ?

Plus le niveau sonore est élevé et plus l’intensité sonore est grande. Donc le son de niveau sonore 60 dB et de fréquence 100 Hz est perçu avec le plus d’intensité par l’oreille.

  • De combien augmente le niveau sonore L lorsque l’intensité I est 2, 10, 100 puis 1000 fois plus grande ? L+3, L+10, L+20 ; L+30

  • Expliquer pourquoi les intensités sonores s’ajoutent numériquement, mais pas les niveaux d’intensités sonores ? Echelle logarithmique pour L

  • Commenter et justifier le document 4. En quoi la grandeur L rend mieux compte des sensations perçues par notre système auditif ?

2I correspond à L+3 ; Effet de masque : Lorsqu'on met en présence deux sources sonores dont l'une est supérieure à 10 dB, le bruit résultant est égal au niveau sonore le plus élevé.

3.J’apprends à rédiger : Examen d’audiogrammes médicaux


La mutuelle Viasanté a fourni un audiogramme d'une personne exposée à un bruit traumatique et un audiogramme d'une personne "saine" ayant un profil auditif normal

Grâce à un audiomètre, on mesure les seuils auditifs pour chaque oreille, à différentes fréquences, en conduction aérienne. Chaque oreille est testée séparément dans une cabine isolée du bruit 

En ordonnée on observe le niveau d'intensité sonore en dB HL (HL pour "hearing loss" qui traduit une perte auditive, autrement dit, le 0 HL correspond aux seuils audiométriques moyens chez les normo-entendants en fonction de la fréquence) et en abscisse la fréquence (en kHz).


AUDIOGRAMME D'UN INDIVIDU SAIN
AUDIOGRAMME D'UN INDIVIDU ATTEINT D'UN TRAUMATISME SONORE

Analyser et interpréter ces audiogrammes. Conclure.

Analyse : On observe une diminution à la fréquence de 6kHz soit 6000 Hz, qui traduit une perte d'environ 65 dB HL pour cette fréquence.

Interprétation : Le sujet a été exposé à un bruit traumatique, de plus il ne perçoit plus des deux oreilles les fréquences élevées. Or une fréquence élevée correspond à un son aigu. 

Conclusion : Les bruits traumatiques subis ont engendré une perte d'audition sur les fréquences aiguës.
Au fait, et vos oreilles…(Travail à faire à la maison)

Réaliser l’audiogramme de vos oreilles avec le logiciel gratuit "Audiogramme"

Pour cela, faire le réglage initial demandé avec rigueur : on doit à peine percevoir le signal initial. Imprimer votre audiogramme et le commenter.




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