Addition de niveaux sonores (dB)
Quelle est l'augmentation du niveau sonore quand on additionne deux ondes de même intensité ?
Description détaillée
Cette expérience pédagogique utilise trois smartphones pour explorer l'addition de sources sonores et ses effets sur l'intensité sonore, en mettant en lumière des concepts clés de l'acoustique et de la physique du son. Deux smartphones émettent des sons tandis que le troisième analyse l'intensité sonore résultante. Les élèves découvrent la différence entre mesurer le Niveau de Bruit, qui représente une moyenne des intensités sonores, et le Niveau Sonore, qui est une mesure instantanée. Dans un premier temps, on additionnera le son de deux bruits blancs, que l'on trouve dans la bibliothèque de sons de l'application. On calibre d'abord les deux smartphones pour qu'ils produisent la même intensité sonore, puis les élèves observent l'augmentation du niveau sonore lorsqu'on additionne deux sources. Cette augmentation sera proche de 3 dB, résultat que l'on attend. Pour ces mesures, l'application FizziQ fournit les instruments Volume sonore et Niveau de bruit sur le smartphone récepteur, le Synthétiseur et sa bibliothèque de sons pour générer les bruits blancs sur les smartphones émetteurs, et le cahier d'expériences pour consigner mesures et graphiques.
Objectifs pédagogiques
- Mesurer un niveau sonore à l'aide d'un smartphone.
- Comprendre le fonctionnement de l'échelle logarithmique des décibels.
- Observer l'effet de l'addition de plusieurs sources sonores.
- Vérifier expérimentalement l'augmentation attendue d'environ 3 dB.
- Comparer les résultats obtenus avec différents types de sons.
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Sonomètre / niveau sonore
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Synthétiseur / bibliothèque de sons — Génère les bruits blancs (et un son pur à 440 Hz) émis par les deux smartphones sources.
- Cahier d'expérience — Sert à consigner les mesures, les graphiques en temps réel et les conclusions de l'expérience.
Matériel nécessaire
- Un smartphone avec l'application FizziQ pour mesurer le niveau sonore (instruments Volume sonore et Niveau de bruit)
- Deux smartphones avec l'application FizziQ utilisés comme sources sonores (Synthétiseur et bibliothèque de sons)
- Un espace calme avec peu d'échos
- Un mètre ruban pour mesurer les distances
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure acoustique comparable.
Protocole expérimental
Ouvre l'application FizziQ sur le smartphone de mesure et sélectionne l'instrument Volume sonore dans le menu Mesures.
Prépare trois smartphones : un pour mesurer le niveau sonore et deux autres pour émettre des bruits blancs (bibliothèque de sons du Synthétiseur de FizziQ, menu Outils).
Place les deux smartphones émetteurs à égale distance du smartphone de mesure (utilise le mètre ruban). Fais émettre un bruit blanc par le premier smartphone seul et règle son volume pour que le sonomètre affiche 60 dB. Fais de même avec le second smartphone seul. Puis fais émettre les deux smartphones simultanément et note le niveau sonore mesuré : de combien de décibels a-t-il augmenté ? Astuce : pour une mesure plus stable, utilise l'instrument Niveau de bruit (moyenne de l'intensité) plutôt que le Niveau sonore instantané, dont la valeur fluctue.
Répète l'expérience avec d'autres types de sons de la bibliothèque de FizziQ (par exemple un son pur à 440 Hz sur les deux smartphones). L'augmentation est-elle toujours la même ? Note tes observations : pour les sons purs, le résultat peut varier fortement selon la position des smartphones.
Enregistre les mesures dans FizziQ et observe les graphiques en temps réel.
Documente tes résultats, graphiques et conclusions dans ton cahier d'expériences FizziQ.
Résultats attendus
Le niveau sonore mesuré avec une seule source reste stable autour de la valeur choisie lors du calibrage. Lorsque deux sources identiques fonctionnent simultanément, le niveau sonore augmente légèrement. L’augmentation observée est généralement proche de 3 décibels. Cette variation reste relativement constante pour des bruits complexes comme le bruit blanc. Des variations peuvent apparaître selon la position des smartphones ou l’environnement acoustique. Pour certains sons purs, des différences importantes peuvent être observées en raison des interférences entre les ondes sonores.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi l’augmentation du niveau sonore n’est-elle pas doublée lorsque deux sources identiques fonctionnent ?
- Pourquoi observe-t-on une augmentation d’environ 3 décibels ?
- Que se passe-t-il si les deux sources ne sont pas placées à la même distance ?
- Pourquoi les résultats diffèrent-ils selon le type de son utilisé ?
- Comment l’environnement influence-t-il les mesures sonores ?
- Pourquoi l’échelle des décibels est-elle logarithmique ?
Explications scientifiques
Lorsque deux sources sonores de même intensité sont combinées, l'intensité est bien doublée, mais le niveau sonore en décibels, lui, n'augmente que d'environ 3 dB. Cette propriété contre-intuitive s'explique par la nature logarithmique de l'échelle des décibels. Le niveau sonore en décibels est calculé selon la formule : L = 10 × log(I/I₀), où I est l'intensité sonore mesurée et I₀ est l'intensité de référence. Lorsque deux sons identiques et non corrélés s'additionnent, leurs intensités (et non leurs amplitudes) s'ajoutent. Ainsi, doubler l'intensité sonore correspond à une augmentation de 3 dB. Le comportement peut varier selon la nature des sons. Pour des bruits blancs (contenant toutes les fréquences à égale intensité), l'addition suit généralement cette règle des 3 dB. En revanche, pour des sons purs de même fréquence, des phénomènes d'interférence peuvent survenir : si les ondes sont en phase, l'augmentation peut atteindre 6 dB (interférence constructive), tandis que des ondes en opposition de phase peuvent s'annuler (interférence destructive).
Pour aller plus loin : L'addition de deux sons augmente-t-elle le niveau sonore de 3 décibels ? (blog FizziQ) détaille le calcul et les cas des sons corrélés et non corrélés | Décibel (Wikipédia) donne des repères sur l'échelle logarithmique et les niveaux sonores usuels.
Extensions possibles
- Réaliser l’expérience avec des sons purs de fréquences différentes.
- Étudier l’effet de la distance entre les sources et le capteur.
- Ajouter une troisième source sonore et mesurer la variation obtenue.
- Comparer les résultats dans une salle calme et dans une salle réverbérante.
- Étudier l’influence de l’orientation des smartphones sur les mesures.
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la superposition des ondes ?
La superposition des ondes est le principe selon lequel deux ondes qui se rencontrent s'additionnent point par point : c'est la somme de leurs amplitudes. Pour deux sons purs de même fréquence, le résultat dépend donc de leur déphasage (jusqu'à +6 dB en phase, extinction possible en opposition de phase). Pour deux sons indépendants comme des bruits blancs, les effets de phase se moyennent et ce sont les intensités qui s'ajoutent : doubler l'intensité correspond à une augmentation de 3 dB seulement, à cause de l'échelle logarithmique des décibels.
Comment FizziQ transforme-t-il le microphone en instrument de mesure ?
FizziQ utilise le microphone du smartphone pour mesurer le niveau sonore en décibels, identifier la fréquence fondamentale d'un son et afficher le spectre complet des fréquences. Ces données peuvent être enregistrées et analysées graphiquement.
Peut-on réaliser cette activité en autonomie à la maison ?
Oui, à condition de disposer de trois smartphones ou tablettes (deux émetteurs et un appareil de mesure), par exemple ceux de la famille. L'application FizziQ est gratuite et aucun matériel de laboratoire n'est nécessaire ; il suffit d'une pièce calme et peu réverbérante.
Cette activité fait partie de nos ressources sur le son. Pour approfondir la mesure et l'analyse du son (oscillogramme, spectre, spectrogramme, décibels) et retrouver les douze expériences, consultez notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.
Prêt à commencer ?
Téléchargez FizziQ et lancez cette activité avec vos élèves.