Addition des ondes sonores
Quelles est l'augmentation du niveau sonore quand on additionne deux ondes de même intensité ?
Dans la vie quotidienne, nous sommes souvent entourés de plusieurs sources sonores simultanées : conversations, musique, circulation ou appareils électroniques. Lorsque plusieurs sons sont émis en même temps, leur effet ne correspond pas simplement à une addition directe des volumes perçus. Le niveau sonore s’exprime en décibels, une unité qui repose sur une échelle logarithmique et dont le comportement peut sembler surprenant. Par exemple, lorsque deux sources sonores identiques fonctionnent simultanément, l’augmentation du niveau sonore n’est pas doublée mais augmente seulement d’environ 3 décibels. Dans cette activité, les élèves utilisent plusieurs smartphones pour produire et mesurer des sons. Cette expérience permet de comprendre comment les intensités sonores s’additionnent et d’explorer les notions fondamentales d’acoustique comme la superposition des ondes et l’échelle logarithmique des décibels.
Résumé :
L'élève utilise trois smartphones : un pour mesurer le niveau sonore et deux autres pour émettre des bruits blancs. Après avoir calibré chaque smartphone émetteur à 60 dB, l'élève mesure le niveau sonore lorsque les deux sources émettent simultanément, en utilisant le microphone et l'analyseur sonore de FizziQ.
Niveau :
Auteur :
Durée :
Collège - Lycée
FizziQ
30-50 minutes
Objectif pédagogique :
- 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 :
Superposition des ondes, Échelle logarithmique des décibels, Différence entre sons purs et bruits complexes, Interférences constructives et destructives, Puissance sonore et intensité acoustique
Capteurs :
- Microphone (mesure du niveau sonore)
Matériel :
- Deux smartphones avec l'application FizziQ (ou une application équivalente comme phyphox permettant l'acquisition du son)
- Un smartphone avec l'application FizziQ (ou une application permettant l'émission d'un bruit blanc)
- Un espace calme avec peu d'échos
- Un mètre ruban pour mesurer les distances
Protocole expérimental :
1. Ouvrir l'application FizziQ et sélectionner l'instrument Volume sonore.
2. Utiliser trois smartphones : un pour mesurer le niveau sonore et deux autres pour émettre des bruits blancs.
3. Après avoir calibré chaque smartphone émetteur à 60 dB, l'él ève mesure le niveau sonore lorsque les deux sources émettent simultanément.
4. L'expérience est répétée avec différents types de sons pour analyser si l'augmentation sonore reste constante et comprendre les différences observées.
5. Enregistrer les mesures dans FizziQ et observer les graphiques en temps réel.
6. Documenter les résultats, graphiques et conclusions dans le cahier d'expérience FizziQ.
Pour en savoir plus sur l'addition des ondes et mieux comprendre pourquoi l'addition des sons purs ne permettra pas de retrouver l'augmentation d'intensité de 3 dB attendu, nous conseillons de lire cet article : https://www.fizziq.org/post/l-addition-de-deux-sons-augmente-t-elle-le-niveau-sonore-de-3-décibels
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 :
- 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 ?
Analyse scientifique
Lorsque deux sources sonores de même intensité sont combinées, l'augmentation du niveau sonore n'est pas de 100% mais d'environ 3 décibels. 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).
Variantes 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.
Activités et ressources associées
- Chloé au concert : Relation entre niveau sonore et distance à la source
- Helmholtz : Mesurer la vitesse du son par la fréquence de résonance d'un tube
- Effet tube : Mesurer la vitesse du son par résonance acoustique dans un tube
- Bruit blanc : Analyse du spectre de fréquences d'un bruit blanc
FAQ
Q: Qu'est-ce que la superposition des ondes ?
R: Ainsi, doubler l'intensité sonore correspond à une augmentation de 3 dB. Cette propriété contre-intuitive s'explique par la nature logarithmique de l'échelle des décibels.
Q: Comment FizziQ transforme-t-il le microphone en instrument de mesure ?
R: 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.
Q: Peut-on réaliser cette activité en autonomie à la maison ?
R: Oui, cette activité ne nécessite qu'un smartphone avec l'application gratuite FizziQ. Elle peut être réalisée à la maison, en classe ou sur le terrain, sans matériel de laboratoire spécialisé.