Comment le son est-il produit et comment voyage-t-il ?
Tout son commence par une vibration : une corde de guitare, tes cordes vocales, la peau d'un tambour, le cône d'un haut-parleur. Touche ta gorge quand tu fredonnes : tu sens qu'elle tremble.
L'objet qui vibre pousse les particules d'air voisines. Celles-ci poussent les suivantes, et ainsi de suite. Les particules ne voyagent pas jusqu'à ton oreille ; chacune va et vient seulement autour de sa place. Ce qui voyage, c'est la perturbation (l'énergie). Cette perturbation qui se déplace est une onde.
Compressions et dilatations
Quand le cône avance, les particules se serrent : c'est une compression (pression élevée, densité élevée). Quand il recule, les particules s'écartent : c'est une dilatation (pression basse, densité basse).
Onde longitudinale
Pour le son, les particules bougent dans le même sens que celui de l'onde. On parle d'onde longitudinale. (Dans une onde transversale, comme une vague sur une corde, les particules bougent de haut en bas, à angle droit avec l'onde.)
Le son a besoin d'un milieu
Le son a besoin de particules à pousser. Il traverse les solides, les liquides et les gaz, mais pas le vide. Si on pompe l'air d'un bocal où sonne une cloche, le son s'affaiblit alors que la cloche vibre toujours. C'est pour cela que les astronautes parlent par radio dans l'espace.
Fréquence, amplitude, période et vitesse
- Longueur d'onde (λ) : la distance entre deux compressions voisines (ou deux dilatations voisines). Unité : le mètre.
- Fréquence (f) : nombre d'ondes complètes (oscillations) qui passent en un point en une seconde. Unité : le hertz (Hz). 1 Hz = 1 onde par seconde.
- Période (T) : durée d'une onde complète. T = 1 ÷ f.
- Amplitude (A) : le plus grand écart par rapport à la valeur normale (de combien les particules bougent, ou de combien la pression augmente).
Hauteur et intensité
La hauteur dit si un son est aigu ou grave. Elle dépend de la fréquence. Un sifflet ou un petit oiseau ont un son aigu ; le rugissement d'un lion ou un tambour ont un son grave.
L'intensité sonore (le volume) dépend de l'amplitude. Frappe plus fort sur un tambour : vibrations plus grandes, amplitude plus grande, son plus fort. On mesure l'intensité en décibels (dB).
Le timbre permet de distinguer une flûte d'un violon, même quand les deux jouent la même note avec la même intensité. Il dépend de la forme de l'onde.
Vitesse du son
Pendant une période, l'onde avance d'une longueur d'onde, donc v = λ ÷ T = f × λ.
La vitesse dépend du milieu et de la température, pas de la fréquence. En gros : air 340 m/s (vers 20–25 °C), eau 1500 m/s, acier 5000 m/s. Le son est le plus rapide dans les solides. Un air plus chaud transmet le son un peu plus vite.
Les graphiques des ondes sonores
On ne voit pas les particules d'air, alors on fait un graphique. On met la distance (ou le temps) sur l'axe des x, et la densité ou la pression sur l'axe des y.
- Un sommet (pic) du graphique = une compression.
- Un creux (vallée) = une dilatation.
- La distance d'un sommet au suivant sur un graphique de distance = la longueur d'onde.
- Le temps d'un sommet au suivant sur un graphique de temps = la période.
- La hauteur du sommet par rapport à la ligne du milieu = l'amplitude.
Compare deux graphiques : des sommets plus rapprochés signifient une fréquence plus haute (son plus aigu) ; des sommets plus hauts signifient une amplitude plus grande (son plus fort). L'étape 2 de la 3D dessine cette courbe rouge au-dessus des particules en mouvement.
Réflexion du son : écho et réverbération
Le son rebondit sur les surfaces dures comme la lumière sur un miroir : l'angle d'arrivée est égal à l'angle de départ.
L'écho
Un écho est un son réfléchi que l'on entend séparément. Notre cerveau garde un son pendant environ 0.1 s, donc l'écho doit revenir au moins 0.1 s plus tard. Dans l'air à 344 m/s, le son doit parcourir 344 × 0.1 = 34.4 m en tout, donc le mur doit être à au moins 17.2 m.
Distance jusqu'à un mur : d = v × t ÷ 2 (on divise par 2 car le son fait l'aller et le retour).
La réverbération
Dans une grande salle, le son rebondit plusieurs fois et continue de résonner. C'est la réverbération. Quand il y en a trop, la parole devient confuse. Les salles utilisent des rideaux, des sièges moelleux, des tapis et des panneaux rugueux qui absorbent le son.
Utilisations des réflexions multiples
Les mégaphones et les cornes envoient le son vers l'avant. Les stéthoscopes amènent les battements du cœur jusqu'aux oreilles du médecin par de nombreuses réflexions dans un tube. Un panneau courbe derrière une scène envoie le son vers le public.
L'acoustique dans les bâtiments historiques
L'acoustique est la science qui étudie le comportement du son dans un lieu. Les bâtisseurs d'autrefois s'en servaient très bien.
- Gol Gumbaz, Bijapur (Vijayapura) : son immense dôme forme une galerie des murmures. Un murmure près du mur fait le tour du dôme courbe par de nombreuses réflexions et s'entend clairement de l'autre côté. Un claquement de mains résonne plusieurs fois.
- Fort de Golconda, Hyderabad : un claquement de mains sous le dôme de l'entrée s'entend en haut du fort ; c'était un signal d'alerte.
- Les théâtres en plein air de l'Antiquité avaient la forme d'un bol avec des gradins qui montent, si bien que la voix d'un acteur arrivait aux derniers rangs sans haut-parleur.
- Temples et dômes : les plafonds courbes rassemblent le son ; les cloches et les chants résonnent longtemps à cause de la réverbération.
Les salles de concert d'aujourd'hui reprennent ces idées et ajoutent des absorbeurs de son là où il le faut.
Domaine de l'audition : infrasons et ultrasons
Les humains entendent d'environ 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz). Les enfants entendent des sons plus aigus que les personnes âgées.
Infrasons (en dessous de 20 Hz)
Trop graves pour nous. Les éléphants et les baleines s'en servent pour communiquer sur de longues distances. Les tremblements de terre émettent des infrasons avant la secousse principale, et certains animaux semblent les sentir. Un pendule qui oscille ou une vibration très lente produit des infrasons.
Ultrasons (au-dessus de 20 kHz)
Trop aigus pour nous. Les chiens, les chauves-souris, les dauphins et les marsouins peuvent les entendre. Utilisations :
- Examens médicaux (échographie) : voir les bébés, le foie, les reins et le cœur (échocardiographie) sans danger.
- Briser les calculs rénaux en grains très fins.
- Nettoyer des pièces difficiles d'accès, comme des tubes en spirale et des composants électroniques, dans un bain de liquide.
- Trouver des fissures à l'intérieur de blocs de métal : les ultrasons passent, mais une fissure les réfléchit.
- SONAR (Sound Navigation And Ranging) : les bateaux envoient des ultrasons vers le fond et mesurent le temps de l'écho pour trouver la profondeur de la mer, des sous-marins ou des poissons. Profondeur = v × t ÷ 2.
- Les chauves-souris volent et chassent dans le noir en écoutant les échos d'ultrasons.
À essayer à la maison
Onde dans un ressort : Étire un ressort souple (ou un long ressort) sur le sol avec un ami. Pousse une extrémité vers l'avant puis vers l'arrière, vite. Regarde la partie serrée courir le long du ressort : c'est une compression, comme à l'étape 1.
Téléphone à ficelle : Relie deux gobelets en papier avec un fil de 5 m bien tendu. Parle dans l'un. Le son passe mieux par le fil tendu (un solide) que par l'air.
Test de hauteur : Tiens une règle en acier au bord d'une table et fais-la vibrer. Raccourcis la partie qui dépasse : prévois, puis vérifie que le son devient plus aigu (fréquence plus haute). Gratte plus fort : son plus fort, même hauteur.
Formules et définitions clés
- v = f × λ
- T = 1 ÷ f
- f = 1 ÷ T (Hz)
- Écho / SONAR : distance = v × t ÷ 2
- Distance minimale pour un écho ≈ 17.2 m (v = 344 m/s)
- Domaine audible : 20 Hz – 20 kHz
Exemples résolus
1. Une onde sonore a une fréquence de 500 Hz et une longueur d'onde de 0.68 m. Trouve sa vitesse.
v = f × λ = 500 × 0.68 = 340 m/s.
2. Un son a une période de 0.002 s. Trouve sa fréquence.
f = 1 ÷ T = 1 ÷ 0.002 = 500 Hz.
3. Un son de fréquence 170 Hz se propage dans l'air à 340 m/s. Trouve sa longueur d'onde.
λ = v ÷ f = 340 ÷ 170 = 2 m.
4. Un garçon tape dans ses mains devant une falaise et entend l'écho après 2 s. Vitesse du son = 340 m/s. À quelle distance est la falaise ?
Le son fait l'aller-retour : trajet total = 340 × 2 = 680 m. Distance = 680 ÷ 2 = 340 m.
5. Le SONAR d'un bateau envoie des ultrasons et reçoit l'écho du fond de la mer après 3 s. Vitesse du son dans l'eau de mer = 1500 m/s. Trouve la profondeur.
Profondeur = v × t ÷ 2 = 1500 × 3 ÷ 2 = 2250 m.
6. On voit un éclair et on entend le tonnerre 4 s plus tard. À quelle distance est l'éclair ? (v = 340 m/s)
La lumière arrive presque instantanément. Distance = 340 × 4 = 1360 m (pas de ÷ 2, car le son ne fait qu'un aller).
7. Une onde fait passer 20 compressions en un point en 0.1 s. Trouve sa fréquence. Peut-on l'entendre ?
f = 20 ÷ 0.1 = 200 Hz. Elle est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz, donc elle est audible.
8. Pourquoi la distance minimale pour un écho net est-elle d'environ 17 m ?
L'écho doit revenir au moins 0.1 s plus tard. Trajet total = 344 × 0.1 = 34.4 m, dont la moitié est la distance au mur : 17.2 m.
Erreurs fréquentes
- Croire que les particules d'air voyagent de la source jusqu'à l'oreille. Elles vont et viennent seulement ; c'est l'énergie qui voyage.
- Confondre hauteur et intensité. Hauteur = fréquence, intensité = amplitude.
- Oublier de diviser par 2 dans les problèmes d'écho et de SONAR (le son fait l'aller et le retour).
- Croire qu'un son de fréquence plus haute va plus vite. Dans un même milieu, toutes les fréquences vont à la même vitesse ; c'est λ qui devient plus courte.