🌊 Thème 3 · Chapitre 16

Exercices — L'intensité sonore et l'effet Doppler

Commence par les exercices ★, puis monte en difficulté. Les corrections se dévoilent question par question.

Entraînement

1ExerciceDe l'intensité au niveau sonore0 / 3 corrections affichées

De l'intensité au niveau sonore

Énoncé

Un sonomètre mesure l'intensité sonore reçue en différents lieux. On veut convertir ces mesures en niveau sonore, grandeur utilisée dans la vie courante.

Données utiles

L = 10 · log(I / I₀)
I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻² (seuil d'audibilité)

Progression

0 / 3 corrigées

1
Une rue calme présente une intensité sonore I = 3,0 × 10⁻⁶ W·m⁻². Calculer le niveau sonore correspondant.
2
Un marteau-piqueur produit I = 2,5 × 10⁻⁴ W·m⁻². Calculer son niveau sonore.
3
Un niveau sonore vaut 65 dB. Calculer l'intensité sonore correspondante.

2ExerciceAdditionner deux sources sonores0 / 3 corrections affichées

Additionner deux sources sonores

Énoncé

Deux haut-parleurs identiques produisent chacun, pris séparément, un niveau sonore de 78 dB en un point donné. On les fait fonctionner ensemble.

Données utiles

I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²
Les intensités s'additionnent, pas les niveaux sonores.

Progression

0 / 3 corrigées

1
Expliquer pourquoi on ne peut pas simplement additionner les deux niveaux sonores.
2
Calculer l'intensité sonore I₁ d'un seul haut-parleur.
3
En déduire le niveau sonore total lorsque les deux haut-parleurs fonctionnent ensemble.

3ExerciceAtténuation à travers une cloison0 / 2 corrections affichées

Atténuation à travers une cloison

Énoncé

Un technicien mesure le niveau sonore d'une machine : 92 dB juste à côté, puis 58 dB de l'autre côté d'une cloison isolante.

Données utiles

Atténuation A = L_émis − L_reçu
I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²

Progression

0 / 2 corrigées

1
Calculer l'atténuation apportée par la cloison.
2
Calculer le rapport I_émis / I_reçu correspondant à cette atténuation.

4ExercicePremière approche de l'effet Doppler0 / 3 corrections affichées

Première approche de l'effet Doppler

Énoncé

Le klaxon d'un train qui approche puis s'éloigne d'un passage à niveau est perçu par un piéton immobile.

Données utiles

Source qui approche : f_R = f_E · c / (c − v)
Source qui s'éloigne : f_R = f_E · c / (c + v)
Célérité du son dans l'air : c = 340 m·s⁻¹

Progression

0 / 3 corrigées

1
Le train émet f_E = 500 Hz et roule à v = 30 m·s⁻¹. Calculer la fréquence perçue quand il approche.
2
Calculer la fréquence perçue quand le train s'éloigne, à la même vitesse.
3
Le piéton entend-il un son plus aigu ou plus grave quand le train passe devant lui ?

5ExerciceAtténuation géométrique avec la distance0 / 2 corrections affichées

Atténuation géométrique avec la distance

Énoncé

Une enceinte diffuse une puissance sonore P = 0,50 W dans toutes les directions (source ponctuelle isotrope).

Données utiles

I = P / (4πd²)
I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²

Progression

0 / 2 corrigées

1
Calculer l'intensité sonore reçue à d₁ = 10 m, puis le niveau sonore correspondant.
2
Calculer le niveau sonore à d₂ = 100 m (10 fois plus loin). Commenter la variation.

6ExerciceExposition sur un chantier0 / 2 corrections affichées

Exposition sur un chantier

Énoncé

Trois engins de chantier identiques produisent chacun un niveau sonore de 70 dB en un point du chantier où travaille un ouvrier.

Données utiles

Les intensités s'additionnent pour des sources indépendantes.
I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻²
Seuil réglementaire de danger : 85 dB sur 8 h

Progression

0 / 2 corrigées

1
Calculer l'intensité sonore d'un seul engin, puis celle des trois réunis.
2
Calculer le niveau sonore total. L'ouvrier est-il en danger au sens du seuil réglementaire ?

7ExercicePrincipe du radar routier0 / 2 corrections affichées

Principe du radar routier

Énoncé

Un radar automatique émet une onde électromagnétique de fréquence f_E = 10,50 GHz vers un véhicule qui s'approche à la vitesse v. L'onde réfléchie revient au radar avec un décalage de fréquence Δf.

Données utiles

Pour un radar Doppler, le décalage mesuré vaut Δf = 2 f_E v / c (approximation v ≪ c)
c = 3,00 × 10⁸ m·s⁻¹ (célérité de la lumière)

Progression

0 / 2 corrigées

1
Convertir la vitesse v = 130 km·h⁻¹ en mètres par seconde.
2
Calculer le décalage de fréquence Δf mesuré par le radar.

8ExerciceL'échographie Doppler du flux sanguin0 / 3 corrections affichées

L'échographie Doppler du flux sanguin

Énoncé

En médecine, une sonde échographique émet des ultrasons de fréquence f_E = 5,0 MHz dans le sang, où leur célérité vaut c_sang = 1 540 m·s⁻¹. Les globules rouges, en mouvement à la vitesse v, réfléchissent l'onde vers la sonde avec un décalage Δf.

Données utiles

Modèle simplifié (incidence normale) : Δf = 2 f_E v / c_sang
Vitesse du sang dans une artère : quelques dizaines de cm·s⁻¹

Progression

0 / 3 corrigées

1
Un décalage Δf = 1,3 kHz est mesuré. Calculer la vitesse v du flux sanguin.
2
Pourquoi utilise-t-on des ultrasons (et non des sons audibles) pour cette mesure ?
3
Expliquer pourquoi le signe de Δf permet de connaître le sens de circulation du sang par rapport à la sonde.

Exercices type bac

Rédactions originales inspirées de sujets d'annales. Le sujet officiel et son corrigé complet sont disponibles sur Labolycée.

1Type bacType bac — Le bruit au voisinage d'une usine0 / 5 corrections affichées

Type bac — Le bruit au voisinage d'une usine

Énoncé

Une usine utilise deux machines identiques fonctionnant simultanément. Au niveau de la clôture, à 50 m des machines, un riverain mesure un niveau sonore de 68 dB. Une association de riverains s'inquiète du respect de la réglementation, qui impose un niveau sonore inférieur à 70 dB en limite de propriété le jour.

Données utiles

I₀ = 1,0 × 10⁻¹² W·m⁻² (seuil d'audibilité)
L = 10 · log(I / I₀)
L'intensité sonore d'une source ponctuelle isotrope vérifie I = P / (4πd²)
Seuil réglementaire diurne : 70 dB

Exercice original inspiré des sujets de bac sur le bruit industriel (Labolycée)

Progression

0 / 5 corrigées

1
Calculer l'intensité sonore totale I_tot reçue par le riverain.
2
En déduire l'intensité sonore I₁ émise par une seule machine (en supposant les deux machines identiques).
3
Calculer le niveau sonore L₁ que produirait une seule machine fonctionnant seule.
4
L'usine installe une troisième machine identique. Montrer que le niveau sonore dépasserait alors le seuil réglementaire de 70 dB.
5
Proposer une solution technique pour réduire le niveau sonore perçu par les riverains, sans arrêter les machines.

2Type bacType bac — Mesurer la vitesse d'une galaxie par effet Doppler0 / 5 corrections affichées

Type bac — Mesurer la vitesse d'une galaxie par effet Doppler

Énoncé

La raie spectrale de l'hydrogène émise par une galaxie lointaine a, en laboratoire, une longueur d'onde λ₀ = 656,3 nm. Observée dans le spectre de cette galaxie, elle apparaît décalée vers le rouge à λ = 658,9 nm. On admet, pour une vitesse v petite devant c, la relation de l'effet Doppler-Fizeau : Δλ/λ₀ = v/c, avec Δλ = λ − λ₀.

Données utiles

c = 3,00 × 10⁵ km·s⁻¹ (célérité de la lumière)
λ₀ = 656,3 nm (raie Hα de l'hydrogène au repos)
λ = 658,9 nm (raie observée)
1 Mpc ≈ 3,09 × 10¹⁹ km (mégaparsec)

Exercice original inspiré des sujets de bac sur le décalage spectral des galaxies (Labolycée)

Progression

0 / 5 corrigées

1
Calculer le décalage en longueur d'onde Δλ et préciser son signe.
2
En déduire la vitesse radiale v de la galaxie par rapport à la Terre. Préciser si elle s'approche ou s'éloigne.
3
La loi de Hubble relie la vitesse d'éloignement d'une galaxie à sa distance d par v = H₀ × d, avec H₀ ≈ 70 km·s⁻¹·Mpc⁻¹. Calculer la distance de cette galaxie en mégaparsecs.
4
Convertir cette distance en kilomètres, puis commenter l'ordre de grandeur obtenu.
5
Expliquer pourquoi la mesure du décalage spectral est l'une des principales méthodes utilisées pour étudier l'expansion de l'Univers.