Le son
1) Qu'est ce qu'un son?
D'un point de vue physique, le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales.
Exemple d'onde longitudinale:
→ L’onde provoquée par la chute d’une goutte d’eau illustre l’aspect d’une onde mécanique et sa propagation dans un milieu matériel.
Pour prouver qu'une onde sonore est une vibration, nous avons effectué une expérience à l'aide d'une enceinte et de petites billes.
Premièrement, nous avons placé une feuille simple sur une enceinte plate. Puis nous avons déposé de petites billes sur celle-ci et nous avons allumé la musique.
Nous avons remarqué qu'avec de la musique assez forte, les billes sautaient, comme nous pouvons le voir sur cette image grâce à un léger flou de bougé.
Cette expérience nous permet de prouver qu'un son est une vibration, puisque les billes, soumises à une onde sonore, vibrent et sautent sur la feuille.
2) Propriétés d'une onde sonore
Une onde sonore est caractérisée par plusieurs de ses propriétés : sa longueur d'onde, sa fréquence et sa période ainsi que la hauteur, l'intensité (ou amplitude) et le timbre d'un son.
a. Longueur d'onde
Une onde est un phénomène physique se propageant et se reproduisant identique à lui-même à intervalle de temps régulier. On définit la longueur d'onde λ (lambda) comme étant la plus courte distance séparant deux points de l'onde strictement identiques à un instant donné.
Durant chaque période T, dont on parlera ensuite, l’onde s’est donc propagée sur une distance λ proportionnelle au temps T et à la vitesse de propagation notée c (célérité), soit la relation:
λ = c x T
avec T (période) en seconde
c (célérité) en m.s-1
On peut aussi voir dans certains documents
λ = v / f
avec λ (longueur d'onde) en m
v (vitesse de propagation de l'onde) en m.s-1
f (fréquence) en Herz
b. La période et la fréquence
La période T est exprimée en seconde et correspond à la durée d'une longueur d'onde. On peut dire qu'il s'agit de l'équivalent temporel de la longueur d'onde.
La fréquence f d'un son caractérise le nombre de périodes répétées en une seconde.
La période T et la fréquence f sont liées par le relation :
f = 1 / T
avec f (fréquence) en Herz
et T (période) en secondes
c. La hauteur
La hauteur du son est la sensation d'aigu ou de grave. On l'associe à la fréquence de son mode de vibration fondamental. Plus la fréquence est élevée, plus le nombre de périodes par seconde augmente, plus le son est aigu. Au contraire, plus la fréquence est basse, plus le nombre de périodes par seconde diminue et donc plus le son est grave.
exemple de fréquence et de hauteur:
d. Amplitude et intensité
L’intensité du son est la sensation de bruit fort ou faible.
Elle est liée à l’amplitude de l’onde sonore. Plus l’amplitude est grande, plus l’intensité sera grande. Pour mesurer la force d'un son, on parle d'amplitude. Sur un graphique, l'amplitude correspond à la hauteur d'une onde.
Pour illustrer, l'idée de l'intensité d'un son, nous prendrons l'exemple de la vague. C'est une onde tout comme le son. Plus la vague est haute, plus elle est puissante.
Afin de mesurer l'amplitude d'un son, on mesure la force de ce son à l'aide d'un sonomètre. C'est l'échelle logarithmique qui intervient ici, c'est-à-dire qu'une variation de 3 décibels correspond au double, ou à la moitié du son qu'on entend.
Il faut savoir que 0dB ne correspond en aucun cas au silence, mais bien au seuil de perception de l'oreille humaine. Des sons peuvent être produits sans que l'oreille ne puisse l'entendre, puisque celle-ci n'entend que les sons de fréquences comprises entre 20Hz et 20 000Hz.
e. Le timbre
Un son d’une même note (même fréquence fondamentale), mais émise par deux instruments différents n’est pas perçu de la même façon par l’oreille. On dit alors que ces deux sons n’ont pas le même timbre. Dans le cas de la musique, le timbre d’un son dépend donc de l’instrument qui émet ce son.
3) Propagation et vitesse de propagation de l'onde
Le son se propage dans un milieu compressible. Seule la compression se déplace dans le matériau mais pas les molécules ; il n’y a aucun déplacement de matière, seulement un déplacement d’énergie.
Par exemple, les vagues se déplacent (en s'éloignant du point de chute, qui pourrait correspondre au lancé d'une pierre dans l'eau), mais l'eau reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et non suivre les vagues. Un bouchon placé sur l'eau reste alors à la même position sans se déplacer.
La vitesse de propagation d'un son est appelée célérité. Elle est indiquée grâce à sa longueur d'onde (λ) et sa fréquence par la relation suivante:
V = λ x f
Et puisque
f = 1 / T
,
V=λ /T (ou V=d/T)
avec V la vitesse de l'onde en m.s-1
λ la longueur d'onde en m
f la fréquence en Hz
T la période en s
La vitesse de propagation du son dépend aussi de certaines propriétés du matériau dans lequel il se propage :
-
la chaleur
→ Dans l'air, la relation entre vitesse et température est donnée par cette équation:
V=20√T°
(V la vitesse en m.s-1 et T la température en Kelvin )
-
la compressibilité et la pression
→ Plus un milieu est dense, moins il est élastique, plus le son se déplace rapidement.
Il en va de même si le milieu a une grande inertie. L’inertie d’un milieu ou d’un système représente la résistance que ce milieu ou ce système oppose lorsqu’on cherche à le mettre en mouvement.
Quelques exemples de vitesses :
Matériau Air Hélium Hydrogène Eau Glycérine Cuivre Brique Bois Acier Aluminium Granit
Célérité (en m.s-1)
340 970 1320 1500 2000 3600 3700 3800 5000 5100 6000
Le son a besoin d’un matériau support pour se propager. C'est pour cela que dans le vide, il n’y a pas de propagation sonore possible, nous n'entendons donc rien.