PROPAGATION DU SON
(cours de physique - © haplosciences)

autre dossier

vibrations sonores

Les sons que nous entendons sont produits par les vibrations de l'air.  Quand une source sonore vibre (voix, cymbale, diapason ..) elle oblige les molécules d'air qui se trouvent à proximité à vibrer, celles ci font vibrer leurs voisines et ainsi de suite juqu'à ce que le son atteigne notre tympan qui vibre à son tour.  Cette vibration est ensuite interprétée par notre cerveau. 

Les ondes sonores compriment et dilatent l'air alternativement.  Si on représente la pression de l'air en fonction de la distance à l'émetteur on obtient une sinusoïde.  Les maxinums correspondent à des zones de compression de l'air (pression maximale) et les minimums correspondent à des zones de dilatation (pression minimale).  La distance entre 2 maximums (ou 2 minimums) est la longueur d'onde de l'onde sonore.  Plus la longueur d'onde est grande et plus le son est grave.  Plus la longueur d'onde est petite et plus le son est aigu.
 
 
 
 
 
 

Voici une autre image qui illustre la modelisation de l'onde sonore par une sinusoide (cosinus or sinus, image du haut).
Les zones de haute pression correspondent aux maximums de la fonction et les zone de depression
aux minimums de la fonction. Les points noirs representent les molecules d'air qui vibrent. Elles
ne se deplacent pas, elle oscillent parallelement au deplacement de l'onde. Cette image est comme
une "photo" prise a un temps donne. Elle montre la perturbation de la pression en fonction de la distance.
Cette illustration provient d'un site an anglais donnant d'excellentes explications ( en anglais):
http://www.neurophys.wisc.edu/~ychen/textbase/s1-obj.html

La propagation de l'onde se fait sans transport de matière mais avec transport d'énergie (un cri perçant peut casser un verre en cristal).   Le son ne se propage pas dans le vide (il n'y a pas d'air pour transmettre la perturbation de l'émetteur au récepteur).  Par contre, le son se propage dans les liquides et les solides.  Dans ce cas, ce sont les molécules qui constituent le liquide ou le solide qui vibrent.
Le son se propage plus vite dans les liquides ou solides parceque les molecules perturbees sont plus proches les unes
des autres.

mesure du son

Le son se mesure en décibel (db). Voici quelques exemples.  L'intensité du son produit par une feuille qui tombe est égale à 5 db.  Un chuchotement: 20db. Une conversation normale 60db.  Une voiture 90db.  Un concert de rock 120 db. Le seuil de la douleur: 130 db.
clique ici pour un tableau

Vitesse du son dans un milieu homogène

La vitesse d'un son ne dépend que des caractéristiques du milieu de propagation (la température fait partie de ces caractéristiques).  Cette vitesse est égale au rapport entre la distance parcourue par le son (en mètre) et le temps mis pour parcourir cette distance (en secondes).  Dans l'air, à 20°C, la vitesse du son est égale à 340m/s.  Le son propage plus vite dans les liquides et les solides que dans l'air.  Dans l'eau pure le son a une vitesse égale à 1430 m/s et dans l'acier la vitesse du son est de 5 700 m/s.  Pense aux indiens qui collaient leur oreille sur les rails pour savoir si le train des "visages pâles" arrivait: Le son du train se propageait mieux dans l'acier des rail que dans l'air.  Sais tu pourquoi, lors d'un orage, tu vois l'éclaire avant d'entendre le tonnerre? indice: vitesse de la lumière=300 000 000 m/s

Le mur du son

Quand un avion dépasse la vitesse du son il dépasse les ondes sonore qu'il a produit auparavant. 
Les fronts d'ondes (zones de compression) s'empilent et on entend au sol un grand bang.  L'avion a franchi le mur du son.  Quand un avion vole à Mach 1 c'est qu'il a atteint la vitesse du son. Mach 2 c'est 2 fois la vitesse du son etc ...  DAns ce cas la vitesse totale des ondes = vitesse du son dans l'atmosphere + vitesse de l'avion. Les ondes crees par l'avion
quand il atteint la vitesse du son rattrapent les ondes produites avant. Les ondes s'empilent ainsi que l'energie sonore.
Quand cet empilement arrive a nos oreillent, on entend un gros boom. 
   

Reflexion du son

Lorsque on pousse un cri face à une paroi, le son nous revient.  C'est l'écho.  Le son se réfléchit sur une paroi lisse et dure comme la lumière sur un miroir.  Ceux qui conçoivent les salles de concert doivent mettre à profit ce phénomène.  Une partie des parois de la salle ont la propriété d'absorber le son afin de ne pas produire des interférences.  Certaines parties, au contraire, renvoient le son émis par la source dans certaines zones de la salle.  La chauve souris émet des ultra-son qui sont réfléchis par une proie.  Elle peut ainsi la localier. clique ici pour voir une chauve souris chasser.  Le stéthoscope utilise la réflexion des ondes sonnore pour écouter et amplifier la respiration.

Le sonar utilise également le même phénomène.  Un navire, par exemple, envoie un faisceau d'ultrasons et analyse l'écho renvoyé.  On convertit ensuite cet écho en image.  Ce système permet de détecter un banc de poissons ou de déterminer le relief du fond marin (et sa profondeur).
 
 
 

Les échographies, que l'on pratique lors d'une grossesse, utilisent aussi les ultrasons.  Le faisceau, émis par un "stylo",  traverse la peau et le liquide amniotique et est réfléchi, en partie,  par le foetus.  Les ondes réfléchis sont recueillies par le stylo.  A partir de ces données l'ordinateur reconstitue l'image du foetus.  Ce système fonctionne comme un sonar.

hauteur d'un son et fréquences

La hauteur d'un son est liée à sa fréquence.  La fréquence d'un son est inversement proportionnelle à sa longueur d'onde.  Le facteur de proportionnalité est égal à la vitesse de l'onde.  Un son grave correspond à une basse fréquence et un son aigu à une haute fréquence.

Nous pouvons émettre des sons de fréquences comprises entre 85 Hz et 1 100 Hz mais nous percevons des sons de fréquences comprises entre 20 et 20 000 Hz.  Les chauve-souris émettent des ultra-sons de fréquences comprises entre 20 000 Hz et 120 000Hz.  Pour te donner une idée, la touche d'un piano située à l'extrème gauche correspond à une fréquence égale à 27Hz.  Celle de l'extrème gauche: 3 480Hz.  Le la (la3) du diapason à une fréquence de 440Hz. 

Le son prevenant d'un instrument de musique se propage dans l'air jusqu'a notre oreille.
Le son est recueilli par le pavillon puis achemine vers notre tympan.
Un nerf relie au cerveau lui transmet l'information.