Le son

Le son est la vibration d'un fluide qui se propage sous forme d'onde : quand on veut créer une onde sonore, on fait vibrer l'air. Le son ne se propage pas dans le vide : aucun fluide n'est disponible pour vibrer.
Le son entraîne une modification infime de la pression atmosphérique.

L'amplitude de la vibration est plus ou moins importante selon le milieu
(ex: dans un gaz la vitesse du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d'inertie)
et/ou lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente.

Dans l'air, la vitesse du son est d'environ 340 m/s.

Le son est défini par :

• l'intensité/l'amplitude : correspond au "volume" du son.
• La fréquence : le nombre de vibrations par seconde.
• le timbre : la "forme" de la vibration.

Les ultrasons

Les ultrasons sont des ondes sonores non audibles dont les fréquences sont comprises entre 16 000 Hertz et 1 000 000 Hertz (16 kHz et 1 Mhz). Ils ont été découverts en 1883 par le physiologiste anglais Francis Galton. L'influence des nécessités de la lutte anti-sous-marine de la première guerre mondiale pousse à créer un système de sonar à ultrasons. Le physicien Paul Langevin travaille sur le premier générateur d’ultrasons qui apparaît en 1917 et est appelé le "triplet Langevin".

Une onde

Une onde ne correspond pas à un transport de matière mais d'énergie. Traduction : le son est en fait un changement de pression qui se déplace dans l’espace. Les molécules traversées se déplacent donc peu, sans migrer. Le milieu parcouru par l’onde subit alternativement des compressions et des dilatations.
Les molécules s'entrechoquent et oscillent mais tout en restant autour de leurs positions initiales, comme le présente l'animation suivante :

En réalité le son se propage dans trois dimensions, les ondes sont donc des sphères.

Milieux de diffusion

Pour se déplacer le son nécessite un milieu de propagation. Tout milieu constitué de molécules (gaz, liquides, solides) représente un milieu de propagation pour le son. La vitesse du son est plus grande dans un corps qui est plus dense. De ce fait, le son dans un liquide devrait se propager  plus vite que dans un gaz mais plus lentement que dans un solide.
Ceci se vérifie la plupart des fois, mais la densité n’est pas le seul facteur à entrer en jeu. La capacité du corps à se déformer et à revenir à son état initial (le module d’élasticité) du milieu traversé influe aussi sur la vitesse du son.

La vitesse de propagation des ondes est déterminée par le comportement des molécules. Elle dépend de la masse des molécules et de la distance qui les sépare. En effet, si les molécules sont lourdes, elles se déplaceront plus lentement que des molécules légères et donc le temps nécessaire à la transmission du mouvement à la molécule voisine sera plus grand, dans ce cas l'onde ira donc moins vite. A noter que la distance entre les molécules importe plus sur la vitesse de propagation que leur masse.
Entre autre, une onde se déplace plus rapidement lorsque les molécules traversées sont plus rapprochées, comme le montre le pendule de Newton où les billes misent en contact transmettent l’énergie quasi-instantanément.

La vitesse de l'onde n'est pas liée aux caractéristiques de l'onde sonore elle même mais à celles du milieu traversé. C'est à dire que dans un même milieu, tous les sons se propagent à la même vitesse.

Caractéristiques :

Fréquence

La fréquence est le nombre d’oscillations périodiques par seconde. On parlera également de la hauteur du son.
Plus la fréquence d’un son sera élevée (onde resserée) et plus le son sera aigu. A l’inverse, plus la fréquence sera basse, plus le son sera grave.

La fréquence s’exprime en Hertz (Hz), un Hertz correspondant à un nombre d'oscillations
par seconde.
Les fréquences audibles par l’être humain s’étendent de 20 à 20 000 Hz en moyenne.
En dessous de 20 Hz, il s’agit d’infrasons et d’ultrasons au-dessus de 20 000 Hz.

La fréquence peut se calculer à partir de la longueur d’onde (= la longueur d’une période, distance entre deux sommets) et la célérité du son dans le milieu traversé.
La formule étant F = C/λ
Avec λ (Lambda) en mètres
C (célérité) en m/s (340 m/s pour l’air)
F la fréquence en Hertz

440 Hz => 0.77 m = 77cm

Plus la fréquence augmente, plus la longueur d’onde diminue.

Intensité

L'intensité sonore correspond à la puissance, au volume du son. La représentation d'une onde sur un oscilloscope permet de voir son intensité par l’amplitude des courbes :

Dans l'air, les variations d’intensité se traduisent par des variations de pression plus ou moins grandes. C'est à dire que si une source sonore émet beaucoup d'énergie, elle va fortement compresser les molécules se trouvant autour d'elle et cette forte compression va donner lieu à un son plus fort.

Une source sonore émet une certaine puissance, à mesure que l'onde s'éloigne de manière sphérique de la source, cette puissance totale se répartit sur une aire croissante. Quand la distance double, cette aire se multiplie par quatre. Etant donné que la puissance acoustique se mesure pour 1 mètre carré, elle se divise par quatre quand la distance à la source se multiplie par deux. La puissance sonore est donc inversement proportionnelle au carré de la distance. C'est pourquoi un son semble moins élévé avec la distance.

Le décibel (noté dB) est une autre mesure de la puissance sonore, un décibel valant 1 dixième de bel.
L’échelle des bels est une échelle dite logarithmique de base 10 (logarithme décimal). Cela signifie que monter de 3dB double la puissance émise, de 6dB multiplie par 4 le volume, de 9dB multiplie par 8 (2x2x2) le volume et ainsi de suite. De plus ajouter 10dB (1 bel) multiplie le volume par  10.

Timbre

 Lorsqu’on écoute un piano et une guitare jouant une note de même hauteur (fréquence) et de même volume, on remarque évidemment que les sons ne sont pas identiques. Cela est dû aux « timbres » qui sont différents.
Théorème de Fourier :
Un son complexe peut être décomposé en une somme d’ondes sinusoïdales de fréquences et d’amplitudes données.

 

Autrement dit, un son peut-être décomposé en plusieurs ondes sinusoïdales qui sont émises simultanément. Celles-ci additionnées donnent une seule onde, cette résultante est  donc l’onde du son obtenu. Ces dernières sont appelées harmoniques.

Un son pur est le plus simple qui puisse exister. Il s’agit d'un son  dont l’onde est parfaitement sinusoïdale. Et donc qui est démunie d’harmoniques. On ne trouve pas de tel son dans le nature, seul un appareil électronique peut générer ce type de son.

Toutes les ondes ne sont cependant pas composées d’une fondamentale et d’harmoniques. Certaines semblent être aléatoires puisqu’elles ne sont pas composées uniquement d’harmoniques et de ce fait ne semblent pas périodiques. Leurs hauteurs exactes ne peuvent être appréciées par l’oreille. C’est le cas de bruits irréguliers comme un claquement de porte pour un bruit impulsif ou une tondeuse pour un bruit prolongé.

Effet Doppler

L'effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde (onde mécanique, acoustique, électromagnétique...) entre la mesure à l'émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l'émetteur et le récepteur varie au cours du temps.

Lorsque la source sonore se rapproche, la fréquence augmente et quand la source s'éloigne, la fréquence diminue.

Pour un observateur immobile (référentiel terrestre), le bruit émis par une voiture n’est pas le même lorsqu'elle s’approche que lorsqu'elle s’éloigne.
Quand la voiture se rapproche, le son paraît plus aigu que le son perçu par le conducteur. Quand elle s’éloigne, le son paraît plus grave. C’est une manifestation de  l’effet Doppler.

Cet effet n'a que peu d'impact sur la chauve souris, car elle se déplace trop lentement.

La réflexion d'une onde (ou l'écho)

Un écho est le retour vers son émetteur d'un son réféchi par un obstacle.

Lorsqu’on schématise cette situation, l’angle de réflexion (ici i’) est égal à l’angle d’incidence (ici i).

Il faut que l'émission soit perpendiculaire à l'obstacle pour que l'émetteur (qui est aussi le récepteur) puisse entendre le retour, ou que l'obstacle ait une partie perpendiculaire au "rayon" du son (comme un cylindre)

Le son ayant une vitesse limitée (vu plus haut) de 340 m/s dans l'air, il y a un court temps entre l'émission et la réception au même endroit d'un son. L'équation T(temps en s) = D(distance en m)/V(vitesse en m/s)

Nous pouvouns donc utiliser l’écho pour calculer une vitesse. La méthode est la suivante : une son est émis. Lorsqu’il rencontre un obstacle, son écho revient vers l’émetteur. En connaissant la vitesse de propagation du son (340 m/s) ainsi que on délai de retour, on peut calculer la distance de l’obstacle. (voir l'expérience n°1)

Une partie de l'onde est absorbée dans le matériau. Plus le matériau est dense, plus l'onde sera réfléchie. Un matériau poreux absorbera plus les ondes sonores qu'un matériau "normal".