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Ondes Sonores de l'Univers

Les rayonnements dans l’Univers

Rappels

Propriété

le rayonnement peut être une forme de transfert d’énergie.

Propriété

Le rayonnement est un phénomène physique qui peut être décrit de deux façons :

  • de manière particulaire par la propagation de photons

  • de manière ondulatoire par la propagation d’une onde électromagnétique, au point même qu’on considère souvent rayonnement et onde électromagnétique comme synonymes.

Propriété

Le spectre des ondes électromagnétiques est composé d’une infinité de radiations.

Propriété

Chaque radiation est caractérisée par sa longueur d’onde dans le vide λ\lambda ou par sa fréquence ν\nu.

Propriété

Dans le vide, ces ondes se propagent à la vitesse de la lumière cc. Ces grandeurs sont liées par la relation :

ν=cλ\nu = \frac{c}{\lambda}

avec

  • ν\nu la fréquence en Hz,

  • cc la célérité de la lumière en m.s1^{-1},

  • λ\lambda la longueur d'onde en m.

Les rayonnements et leurs sources

Exemple

Le spectre des ondes électromagnétiques est découpé en divers domaines, ce découpage est arbitraire. On trouve les ondes radios, le visible, l’UV, l’infrarouge ou encore les rayons gamma.

Propriété

Les radiations visibles ont des longueurs d’onde dans le vide entre 400400 et 800800 nm.

Définition

De nombreuses particules (protons et noyaux d’hélium) circulent dans le vide interstellaire : ce sont des astroparticules. On parle de rayonnement cosmique.

Propriété

Tous les objets célestes émettent des rayonnements dans divers domaines. Certains rayonnements peuvent être associés à certaines sources caractéristiques.

Remarque

On sait maintenant construire des émetteurs et détecteurs pour chacun des domaines de rayonnement.

Spectre des ondes électromagnétiques.

Spectre des ondes électromagnétiques.

Absorption par l’atmosphère terrestre

Propriété

Tous les rayonnements se propagent dans le vide et les milieux matériels. Le plupart interagissent avec la matière, dont l’atmosphère terrestre.

Propriété

L’atmosphère absorbe certaines radiations ce qui peut gêner les observations astronomiques ; on utilise les télescopes spatiaux.

Propriété

Les constituants de l’atmosphère interagissent avec les astroparticules créant des particules secondaires comme les muons.

Onde et matière

Propriété

Contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes mécaniques ne peuvent se propager que dans la matière. Elles transportent de l’énergie et peuvent avoir des effets important lors de leur propagation tels que :

  • la houle, mouvement ondulatoire à la surface de l’eau qui peut être forte en cas de tempête et provoquer de graves dégâts

  • les ondes sismiques (étudiées en 1eˋre1^{ère} en SVT) avec des vitesses de propagation différentes selon le type et dont les effets peuvent être plus ou moins importants. La magnitude mesure l’énergie dégagée par un séisme.

  • les ondes sonores, qui sont des ondes de compression et de dilatation.

Lorsqu’une onde sonore se propage dans un gaz, cela crée des zones de surpression et sous-pression. Lorsque la variation de la pression est très rapide et de très grande amplitude, l’onde sonore devient une onde de choc.

Passage du vent à la houle.

Passage du vent à la houle.

Détection des particules

Exemple

Il existe de nombreux détecteurs d’ondes et de particules. On trouve par exemple :

  • l’enregistrement des ondes sismiques par des sismographes afin de localiser l’épicentre du séisme

  • la chambre à brouillard pour détecter les particules chargées

  • le compteur Geiger pour les particules émises lors de désintégrations radioactives

Détecteur d'ondes sismiques.

Détecteur d'ondes sismiques.

Ondes progressives

Définitions

Définition

Une onde progressive désigne le phénomène de propagation d’une perturbation dans un milieu.

Définition

On distingue deux types d’ondes :

  • les ondes mécaniques qui ont besoin d’un milieu pour se propager

  • les ondes électromagnétiques qui peuvent se propager dans le *vide.

Définition

Une onde progressive se propageant dans une seule direction est appelée onde progressive à une dimension.

Exemple

On trouve aussi des ondes à deux dimensions (ondes à la surface de l’eau) et à trois dimensions (le son).

Propriété

Au cours de sa propagation, une onde transporte de l’énergie (énergie solaire, énergie cinétique, ...).

Remarque

Les ondes ont des manifestations (houle, rides, son), des conséquences (aucune, dégats,...) et des utilisations très variées (vision, ouïe, téléphonie, échographie, ...).

Exemple d'une onde progressive.

Exemple d'une onde progressive.

Vitesse

Propriété

La valeur de la vitesse de propagation d’une onde vv, ou célérité, est le rapport de la distance dd qu’elle parcourt par la durée Δt\Delta t mise par l’onde pour parcourir cette distance :

v=dΔtv = \frac{d}{\Delta t}

avec

  • vv en m.s1^{-1},

  • dd en m,

  • Δt\Delta t en s.

Retard et élongation

Retard et élongation.

Retard et élongation.

Remarque

Lorsqu’on regarde la perturbation à deux instants que celle-ci est la même. Comme elle se propage, elle atteint deux endroits différents à deux instants consécutifs.

Propriété

Elle atteint le point M1M_1 à la date t1t_1 et le point M2M_2 à la date t2=t1+τt_2 = t_1 + \tau. La perturbation observée au point M1M_1 arrive au point M2M_2 avec un retard τ\tau. Le retard τ\tau est la durée mise par l’onde pour se propager de M1M_1 à M2M_2 :

τ=M1M2v\tau = \frac{M_1M_2}{v}

avec

  • τ\tau en s,

  • M1M2M_1M_2 en m,

  • vv en m.s1^{-1}.

Propriété

Dans le cas des ondes mécaniques, un point est repéré par son élongation, c’est-à-dire sa position par rapport à sa position de repos.

Onde progressive périodique

Définition

Une onde progressive est périodique lorsque la perturbation se reproduit identique à elle-même à intervalle de temps égaux, appelés période TT.

Définition

La fréquence ff de l’onde est le nombre de répétitions de la perturbation par seconde. La fréquence ff et la période TT sont liées par la relation :

f=1T.f = \frac{1}{T}.

Définition

Les ondes progressives sont sinusoïdales lorsque l’élongation de tout point du milieu de propagation est une fonction sinusoïdale du temps.

Représentation d'une onde sinusoïdale.

Représentation d'une onde sinusoïdale.

Propriété

Lorsqu’une onde périodique se propage, en certains points les élongations sont en phase, c’est-à-dire possèdent la même élongation. Une onde progressive périodique possède donc deux périodicités :

  • une périodicité temporelle, TT appelée période

  • une périodicité spatiale, λ\lambda appelée longueur d’onde.

Définition

La longueur d’onde est la plus petite distance séparant deux positions pour lesquelles les élongations sont en phase, on la note λ\lambda, son unité est le m. C’est aussi la distance parcourue à la vitesse vv lors d’une période temporelle TT :

λ=v.T.\lambda = v.T.
Représentation d'une longueur d'onde.

Représentation d'une longueur d'onde.

Propriété

La fréquence d’une onde est sa caractéristique puisqu’elle ne change pas lorsque l’onde change de milieu, ce qui n’est pas le cas de la longueur d’onde qui varie puisque la vitesse varie.

Ondes sonores et ultrasonores

Propriété

L’oreille humaine perçoit des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre 2020Hz et 2020kHz

Spectre des sons.

Spectre des sons.

Spectre d’un son

Propriété

Le son produit par un instrument de musique est périodique mais pas sinusoïdal.

Propriété

En 18221822, Joseph Fourier (FR) a montré que tout signal périodique de fréquence ff peut être décomposé en une somme de signaux périodique de fréquences fnf_n multiples de ff, appelés harmoniques. L’analyse spectrale d’un son permet d’en obtenir le spectre en fréquences.

Définition

Le spectre en fréquences d’un son est la représentation graphique de l’amplitude de ses composantes sinusoïdales en fonction de la fréquence.

Propriété

La fréquence la plus faible f1f_1 est celle du fondamental, c’est la fréquence du son. Les autres fréquences sont des multiples entiers du fondamental :

fn=n.f1.f_n = n.f_1.

Définition

La hauteur et le timbre sont deux autres caractéristiques importantes d’un son musical. Plus la fréquence d’un son est faible, plus le son est grave (ou bas), plus la fréquence est grande, plus le son est aigu (ou haut) : c’est la hauteur du son. Deux sons de même hauteur ne sont pas perçus de la même manière, leur compositions spectrales sont différentes par la présence et les amplitudes relatives d'harmoniques : c’est le timbre du son.

Propriété

L’analyse spectrale d’un son musical permet de caractériser :

  • la hauteur du son, liée à la fréquence f1f_1 du fondamental

  • le timbre du son, lié au nombre et à l’amplitude des harmoniques.

Analyse spectrale d'un son.

Analyse spectrale d'un son.

Niveau d’intensité sonore

Définition

Nous percevons les sons de manière plus ou moins intense. L’intensité sonore II caractérise l’intensité du signal reçu par l’oreille, elle s’exprime en W.m2^{-2}.

Propriété

L’oreille humaine perçoit des signaux sonores dont l’intensité est comprise entre I0=1,0.1012I_0 = 1,0.10^{-12} W.m2^{-2} (seuil d’audibilité) et 2525 W.m2^{-2} (seuil de douleur).

Définition

On a alors créé une autre grandeur : le niveau d’intensité sonore. Il est noté LL et s’exprime en décibels.

Le niveau d’intensité sonore LL est défini par :

10log(II0).10\log\left(\frac{I}{I_0}\right).
Échelle des bruits.

Échelle des bruits.

Remarque

La notation log\log est le logarithme décimal. LL est graduée de 00 à 140140 dB.

Propriété

Lorsque plusieurs instruments jouent ensemble, les intensités sonores de chaque instrument s’ajoutent.

Commentaires

Charline

0
il y a 5 ans
merci pour la video !
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Alex11

0
il y a 5 ans
Bonjour,  C'est quoi la différence entre une onde mécanique et une onde mécanique progressive? Svp
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Lianir

1
il y a 5 ans
Dire qu'une onde est progressive précise le fait qu'elle se propage, qu'elle est en mouvement (contraire d'une onde stationnaire). En espérant t'avoir aider.
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Lianir

0
il y a 5 ans
Ecris un commentaire..
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todorki lilou

1
il y a 5 ans
genial
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Manoflo

0
il y a 5 ans
Ecris un commentaire..
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Manoflo

0
il y a 5 ans
Ecris un commentaire..
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darlène

0
il y a 5 ans
est-ce que quelqu'un a les flashcards ? 
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CaptainPock

0
il y a 5 ans
Pas moyen d'imprimer les cours ?
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Delaa

0
il y a 4 ans
C'est super bien, ça reprend en détails notre cours !
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Rac0on

3
il y a 4 ans
Bonjour, une onde progressive est la propagation d’une onde dans un milieu. Dans ce cas, pour une onde électromagnétique, le vide est considéré comme le milieu ?
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