Niveau sonore et distance
Relation entre niveau sonore et distance à la source
Description détaillée
Dans cette activité, l'élève va étudier la relation entre l'intensité sonore et la distance entree l'émetteur et le récepteur. Pour vérifier cette relation il est essentiel d'utiliser un bruit blanc car sinon des interférences peuvent se produire due à la réflexion des ondes sonores sur les parties autour du dispositif. Dans ce protocole, l'élève utilise le son du bruit blanc de la bibliothèque de son qui permet d'obtenir des résultats très stables et précis. L'activité permet d'ouvrir des discussions sur les risques du bruit pour la santé et les conséquences irrémédiables pour l'organisme d'un traumatisme sonore. FizziQ fournit l'instrument Sonomètre (niveau de bruit), basé sur le microphone du smartphone, ainsi que le cahier d'expérience pour consigner protocole, mesures et conclusions.
Objectifs pédagogiques
- Mesurer un niveau sonore à l’aide du microphone d’un smartphone.
- Étudier l’influence de la distance sur l’intensité sonore mesurée.
- Vérifier expérimentalement la loi du carré inverse pour une source sonore.
- Interpréter une variation de niveau sonore en décibels.
- Sensibiliser aux risques liés à l’exposition prolongée à des niveaux sonores élevés.
Concepts scientifiques
Instruments et capteurs
Instruments scientifiques
- Sonomètre (niveau de bruit)
Capteurs
- Microphone
Fonctionnalités FizziQ
- Bibliothèque de sons — Fournit le bruit blanc utilisé comme source sonore stable, évitant les interférences liées aux fréquences pures.
- Cahier d'expérience — Sert à documenter hypothèses, mesures et conclusions, puis à partager le compte-rendu.
Matériel nécessaire
- Deux smartphones avec l'application FizziQ, permettant de mesurer le niveau sonore
- Un espace calme pour les mesures
- Un mètre ruban pour mesurer précisément les distances
- Cahier d'expérience FizziQ
- Note : le protocole reste adaptable à tout autre outil de mesure acoustique comparable.
Protocole expérimental
Un ami de Chloé lui a dit que la puissance sonore produite par une enceinte est 3 fois plus forte à une distance de 1m que de 3m. Aide Chloé à vérifier cette affirmation
Sur ton portable, dans l’onglet Outil de FizziQ, trouve le son Bruit Blanc dans la bibliothèque de sons
Sur un deuxième smartphone, sélectionne la mesure Niveau de Bruit
Place les deux smartphones à 1 m l'un de l'autre et mesure le niveau de bruit
A présent place les deux smartphones à une distance 3 fois plus grande et mesure à nouveau le niveau de bruit
Quelle diminution constates-tu ?
Une diminution du niveau sonore de 9,5 décibels correspond à une division de la puissance sonore par 9 (car 10 × log(9) ≈ 9,5). Est-ce que l'ami de Chloé a raison ?
Après cette analyse, penses-tu qu’il soit raisonnable de se placer tout près d’une enceinte dans un concert ?
Quelle distance minimale recommandes-tu pour protéger tes oreilles ?
Documente tes hypothèses, expériences et conclusions dans le cahier d’expérience et partage-le
Résultats attendus
- Le niveau sonore mesuré diminue lorsque la distance entre la source et le microphone augmente. - Lorsque la distance est multipliée par 3, le niveau sonore diminue généralement d’environ 9 à 10 décibels. - Les mesures peuvent présenter de légères variations dues aux réflexions du son sur les murs ou aux bruits environnants. - L’utilisation du bruit blanc permet d’obtenir des mesures plus stables qu’un son pur. - Les résultats confirment que s’éloigner d’une source sonore réduit fortement l’exposition au bruit.
Questions scientifiques possibles
- Pourquoi le niveau sonore diminue-t-il lorsque l’on s’éloigne de la source ?
- Pourquoi utilise-t-on une échelle logarithmique pour mesurer le niveau sonore ?
- Quels effets peuvent perturber les mesures réalisées dans une pièce fermée ?
- Pourquoi le bruit blanc permet-il d’obtenir des résultats plus fiables qu’un son pur ?
- Comment la distance à une enceinte influence-t-elle le risque de traumatisme auditif ?
Explications scientifiques
La propagation du son dans l'air suit la loi du carré inverse: l'intensité sonore diminue proportionnellement au carré de la distance à la source. Cette relation s'explique par la dispersion sphérique de l'énergie sonore à partir de la source ponctuelle émettrice. Pour une source omnidirectionnelle, la puissance P se répartit sur la surface d'une sphère de rayon r, donc l'intensité I = P/(4πr²). Cependant, nous percevons et mesurons le son selon l'échelle logarithmique des décibels: L = 10log(I/I₀). Par conséquent, lorsque la distance triple, l'intensité est divisée par 9 (3²), ce qui correspond à une réduction d'environ 9,5 dB. Cette différence est significative puisqu'une augmentation de 10 dB est perçue comme un doublement du volume sonore. Le niveau de risque auditif commence à partir de 85 dB pour une exposition prolongée, et chaque augmentation de 3 dB double la puissance sonore. Dans un concert, les niveaux peuvent atteindre 100-110 dB près des enceintes, soit largement au-dessus du seuil de danger (85 dB) et proches du seuil de douleur (environ 120 dB). La réglementation française limite d'ailleurs les concerts à 102 dB(A) moyennés sur 15 minutes. L'utilisation du microphone du smartphone avec FizziQ permet d'obtenir des mesures fiables d'intensité sonore relative, même si les valeurs absolues peuvent varier légèrement selon les modèles.
Extensions possibles
- Réaliser des mesures à plusieurs distances intermédiaires pour tracer une courbe complète.
- Comparer les résultats obtenus dans une pièce fermée et en extérieur.
- Tester différents types de sons (musique, son pur, bruit blanc).
- Étudier l’effet d’un obstacle placé entre la source sonore et le microphone.
- Mesurer le niveau sonore produit par un instrument réel (haut-parleur, instrument de musique).
Questions fréquentes
Qu'est-ce que la propagation du son ?
La propagation du son est le déplacement de l'onde sonore dans un milieu. L'intensité diminue avec le carré de la distance. Par conséquent, lorsque la distance triple, l'intensité est divisée par 9 (3²), ce qui correspond à une réduction d'environ 9,5 dB.
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.
Comment intégrer cette activité dans un cours de physique au lycée ?
Cette activité s'inscrit dans le programme d'acoustique du lycée. Elle peut être réalisée en TP (1h), en classe inversée ou à la maison. FizziQ permet un travail en autonomie avec un simple smartphone.
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.