Le Son

Le son est une chose si familière dans notre vie quotidienne que l’on en oublie souvent la signification physique qui est loin d’être facile à comprendre. Je vais donc essayer ici de vous en donner un meilleur aperçu.

J’ouvre mon petit robert sur mon bureau et je vais à la page 2396, là où se trouve le mot ‘son’ : « Sensation auditive causée par les perturbations d’un milieu matériel élastique fluide ou solide (spécialement l’air). »

Je n’aime pas trop cette définition, je fonce ouvrir mon dictionnaire de physique pour voir ce qu’il dit : « Onde mécanique correspondant à la propagation de déformations et de contraintes dans un milieu élastique ou visco-élastique. » C’est mieux mais déjà plein de mots compliqués dans cette courte phrase qui demande une analyse détaillée…

Le son est une onde

Une onde, c’est simplement une oscillation qui se propage comme une vague dans la mer ou les cercles autour d’une pierre jetée dans un lac. Attention, il n’y a pas forcément transport de matière, on le voit bien quand on regarde une mouette flotter sur la houle : elle monte et descend au gré des vagues sans véritablement avancer. Ce qui avance, c’est la vague, et c’est ce que les physiciens appellent une onde. On parle d’ondes mécaniques lorsque ce qui se propage est une déformation mécanique (comme une vague qui déforme la surface de l’eau ou séisme qui fait « trembler » la surface de la Terre).

Une onde dans les milieux élastiques

Voilà donc la nature du son : une onde mécanique. On parle alors d’ondes acoustiques, ou plus communément d’ondes sonores, lorsqu’une déformation se propage dans un milieu élastique.

Un milieu élastique est un élément qui peut se déformer sous l’action d’une contrainte mécanique (une force) et reprend sa forme initiale lorsque cette contrainte disparait.

Par exemple, une éponge est un milieu élastique : lorsque qu’on la compresse, elle se déforme puis quand on la relâche, elle reprend sa forme initiale. Les liquides comme l’eau sont également des milieux élastiques ainsi que les gaz comme l’air mais aussi les solides ! Eh oui, lorsqu’on applique une faible force sur un solide comme un mur de béton, il se déforme (très faiblement) et reprend ensuite sa forme. Même si cette déformation est extrêmement faible, cela permet au son de se propager !

Conclusion : le son se propage partout du moment qu’il y a un support matériel : il se propage dans le béton, dans les éponges, dans l’eau, et bien évidemment dans l’air ! En fait, le son est le résultat de la vibration des molécules (ou des atomes) les unes par rapport aux autres.

Le son est créé par ce que les physiciens appellent une onde de compression longitudinale, encore un mot barbare ! Une onde de compression est le résultat de la compression et de la dilatation des molécules du support en question (l’air, l’eau, le béton, etc.) de manière oscillatoire. Ce phénomène a pour conséquence de faire osciller la pression locale et de produire du son. Cette oscillation est le fruit de 2 causes antagonistes :

- Une force de rappel : si une molécule bouge, elle bouscule sa voisine qui se met alors en mouvement. Il y a alors une propagation du mouvement de proche en proche.

- L’inertie du milieu qui tend à « freiner » ce mouvement et à ramener les molécules dans leur position initiale.

On parle en plus d’ondes longitudinales car le son se propage dans le même sens que l’onde (contrairement à une vague en mer qui est transversale car l’eau monte et descend alors que la vague avance horizontalement).

Dans le cas des solides cristallins, ce sont les atomes qui vibrent les uns par rapport aux autres et cette vibration est transportée par une quasi-particule appelée phonon (une quasi-particule n’a pas de réalité matérielle mais on peut assimiler ce phénomène physique à une particule virtuelle se propageant dans le solide).

Le vide est le royaume du silence

En revanche, s’il n’y a rien (dans le vide), le son ne peut pas se propager car il n’y a pas de support pour véhiculer une déformation mécanique quelconque : un vaisseau spatial qui explose dans l’espace comme dans la guerre des étoiles ne peut pas propager de son à travers l’espace car ce dernier est ‘rempli’ de vide !!

Une fameuse expérience est l’expérience du réveil dans une cloche à vide : on enferme un réveil dans une cloche en verre et on le fait sonner : on entend parfaitement le son. On commence alors à pomper l’air dans la cloche en verre de manière à faire le vide : le son du réveil diminue petit à petit jusqu’à disparaitre complètement !!

Exemple de la voix

Dans le cas d’une conversation entre 2 personnes dans une pièce, la vibration des cordes vocales fait « vibrer » l’air provenant de nos poumons qui est ensuite modulé à l’aide de notre larynx puis de notre bouche (lèvre, palais, lèvres). L’air expulsé déforme ainsi l’air à proximité de notre bouche et cette déformation se propage dans l’air ambiant de proche en proche dans toutes les directions jusqu’à arriver à un éventuel auditeur où cette onde sonore est « décodée » dans ses oreilles puis interprétée par son cerveau.

C'est le même phénomène avec une enceinte qui va bouger d'avant en arrière pour faire bouger l'air à proximité et provoquer une onde sonore (sur les grosses enceintes, on voit nettement le déplacement de la membrane de l'enceinte).

La vitesse du son

Comme le son est une onde, elle se déplace à une vitesse finie (c’est-à-dire non infinie). Cette vitesse dépend principalement de la densité du matériau dans lequel le son se propage. La vitesse du son dépend ainsi du matériau, de la température et de la pression ambiante qui modifie la densité des matériaux.

On apprend à l’école que le son se propage à une vitesse de 300 mètres par seconde dans l’air (c’est-à-dire 1080 km/h). Cette vitesse peut paraitre rapide au premier abord mais il est très facile d’ « observer » cette vitesse pendant les orages où l’on voit les éclairs avant  d'entendre les coups de tonnerre associés. Explication : l’éclair et le tonnerre se produisent au même moment là où la foudre tombe. Pour un observateur situé à quelques kilomètres, l’éclair est vue quasi instantanément car la lumière de l’éclair se propage à 300 000 kilomètres par seconde : même si la foudre tombe à 5 kilomètres, l’éclair est vu en 0,000016 seconde alors que le son du tonnerre va mettre 5000/300 = 16 secondes à arriver à nos oreilles. D’où la technique qui consiste à compter les secondes entre éclair et tonnerre et à diviser les secondes par 3 pour obtenir la distance à laquelle la foudre est tombée en kilomètres (quand j’étais gamin j’adorais faire ce calcul et je continue à le faire car ça m’impressionne toujours).

La vitesse du son dans l’air augmente avec la température et si on compare la vitesse du son dans l’air avec d’autres milieux on s’aperçoit que le son est très lent dans l’air :

- Vitesse du son dans l’air à -10°C : 325 m/s

- Vitesse du son dans l’air à 20°C : 340 m/s

- Vitesse du son dans l’air à 30°C : 350 m/s

- Vitesse du son dans l’eau : 1 480 m/s

- Vitesse du son à travers un mur en béton : 3 100 m/s

- Vitesse du son à travers une fenêtre en verre : 5 300m/s

Mesurer le son

Comme toutes les ondes, une onde sonore peut être défini par 2 grandeurs : sa fréquence et son amplitude.

La fréquence d’une onde sonore reflète la hauteur d’un son et se mesure en Hertz (Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et plus la fréquence est faible, plus le son est grave. L’oreille humaine est capable de détecter les sons entre 20 Hz (basse extrêmement grave) de 20 kHz (bruit strident très aigu). Sur un piano classique, le ‘la’ moyen est à 440 Hz alors que le ‘la’ le plus grave est à 27 Hz et le ’do’ le plus aigu est à 4186 Hz. Vous pouvez visiter cette page pour tester votre ouïe et écouter différents sons à différentes fréquences. Au-delà de 20kHz, on parle d’ultrasons et en dessous de 20Hz d’infrasons.

L’amplitude d’une onde sonore reflète le volume sonore (ou l’intensité). En physique, l’intensité sonore se mesure en Watt par mètre carré mais cette unité de mesure est peu pratique et ne reflète pas la sensibilité de l’oreille humaine qui accepte mieux les sons graves qu’aigus. On utilise alors une échelle en décibel qui permet de mesurer l’intensité d’un son à partir d’un son de référence. On prend comme référence 0 dB qui correspond au seuil de détection de l’oreille humaine (équivalent à 10^-12 W/m²). De plus, pour compenser le fait que l’oreille humaine tolère mieux les sons graves qu’aigus, une correction est apportée de manière à pondérer les intensités selon les fréquences. On parle alors de décibel pondéré « A », noté dB(A), dans le cas de l’oreille humaine (pas d’atténuation à 1kHz, -50dB à 20Hz et -10dB à 20kHz).

Pondération de l’intensité sonore pour rendre compte de la sensibilité de l’oreille humaine selon des fréquences (courbe A)

Attention, le décibel est une échelle logarithmique, ce mot compliqué veut dire qu’une augmentation de 3dB correspond au doublement de la puissance sonore (ce n’est pas linéaire). Donc quand on dit qu’un spectateur reçoit 110 dB lors d’un concert et qu’un marteau piqueur produit un bruit de 120 dB, cela signifie que le marteau piqueur est 8 fois plus bruyant que le concert ! Une différence de 100 dB correspond donc à une multiplication du niveau sonore d’un facteur 10 milliards! On comprend alors pourquoi on utilise le décibel et pas une échelle linéaire.

Une petite échelle de comparaison pour mieux se rendre compte:

- 0dB : seuil audible pour une oreille humaine (en général on détecte plutôt à 4dB)

- 30 dB : lieu très calme à la campagne, chuchotement

- 60dB : conversation courante

- 80 dB : restaurant bruyant, grand magasin

- 110 dB : concert ou discothèque

- 120 dB : marteau piquer

- 140 dB : avion au décollage

- 180 dB : fusé Ariane au décollage

Bon à savoir : à partir de 85 dB, il y a danger pour l’oreille humaine et à partir de 130 dB, c’est de la douleur pure et simple. Pour lutter contre le bruit trop présent dans notre société : http://www.moinsdebruit.com/.

Par Benjamin Bradu - Publié dans : Physique
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