Qu’est ce que le mur du son ? Comment se propage une onde sonore ? A quoi correspond une note ? Bref découvrons ce qu’est un son.
Vidéo
Comprendre ce qu’est un son
Les cordes d’une guitare, un éclair qui fend l’air ou nos cordes vocales créent des zones de surpression dans l’air qui vont se propager. C’est du son
En fait, un son est une vibration mécanique d’un fluide, qui se propage sous forme d’ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide.
Production et propagation d’une onde sonore
Prenons l’exemple d’une enceinte pour illustrer.
Lors de son fonctionnement, la membrane vibre et comprime les molécules à son contact. Cette couche en surpression tend à retrouver sa pression initiale. Se faisant, elle comprime les molécules à proximité. A son tour, la couche d’air transmet la surpression à la couche voisine et ainsi de suite. Finalement, le son est une vibration mécanique qui se déplace grâce à la déformation de son milieu.
Modélisation graphique d’une onde sonore
Si l’on dresse la représentation graphique de la pression sur la trajectoire de propagation, on observe une alternance de zones de surpression et de dépression. On obtient ainsi une courbe sinusoïdale.
Voici une animation représentant la propagation de l’onde :
Caractéristiques d’une onde sonore
Les ondes sonores possèdent plusieurs caractéristiques :
La fréquence (en Hz):
La fréquence exprimée en Hertz (Hz) correspond au nombre de vibrations en une seconde.
Chaque fréquence correspond à un son différent. Prenons l’exemple des notes d’un piano :
On peut noter que plus la fréquence est basse (moins il y a de vibration), plus le son est grave. Et inversement, plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu.
Voici le rendu auditif d’un même signal à différentes fréquences :
Source de la vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=qNf9nzvnd1k&t=27s
Les fréquences audibles par l’être humain se situent approximativement entre 20 Hz et 20 kHz. Au-delà de cet intervalle les sons sont difficilement perceptibles.
- Les fréquences en dessous de 20 Hz sont les infrasons. Les éléphants les utilisent pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance;
- Les fréquences au-dessus de 20 000 Hz sont les ultrasons. Il s’agit, par exemple, des fréquences de communication des dauphins ou chauves-souris.
A titre de comparaison, la voix humaine produit des sons dont la fréquence moyenne est comprise entre 100 et 500 Hz. On peut nuancer en disant qu’une voix chantée grave peut atteindre 70 Hz et un soprano peut dépasser les 1000 Hz
Son intensité
L’intensité, exprimée en décibels (dB), correspondant à l’amplitude de l’onde.
Voici un aperçu de l’intensité sonore de différents sons :
- Brise dans les feuilles d’arbre – 10 dB
- Chants d’oiseaux – 40 dB
- Conversation – 60 dB
- Moteur de moto – 80 dB
- Métro en mouvement – 100 dB
- Tronçonneuse – 120 dB
- Décollage de fusée – 150 dB
Source de la vidéo : https://www.youtube.com/watch?v=1XUovxiTpVA&ab_channel=MarianaEverestC
Le seuil de la douleur pour l’oreille humaine se situe à environ 130 dB. Cela correspond au bruit d’un réacteur d’avion.
Le timbre
Le timbre correspond à la forme de l’onde.
Par exemple, la même note (un la) jouée par une flûte et une trompette produira un son à la même fréquence mais avec un timbre (la forme de l’onde) différent.
Vidéo source : https://www.youtube.com/watch?v=mObmN0gKuyc&ab_channel=FlorenceRAFFIN
Les éléments physiques du timbre permettent d’identifier la source du signal acoustique. Ils comprennent :
- la répartition des fréquences dans le spectre sonore
- les relations entre les parties du spectre, harmoniques ou non
- les bruits colorés existant dans le son (qui n’ont pas de fréquence particulière, mais dont l’énergie est limitée à une ou plusieurs bandes de fréquence)
- l’évolution dynamique globale du son
- l’évolution dynamique de chacun des éléments les uns par rapport aux autres.
La célérité = Vitesse de propagation (en m/s)
La vitesse du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu dans lequel l’onde acoustique se propage.
Par exemples :
- dans l’air, à température ambiante (20°C) et sous pression atmosphérique normale, la vitesse de propagation du son est d’environ: 340 m/s soit environ 1220 km/h.
- dans l’eau, qui est plus dense et moins compressible que l’air, la vitesse du son est d’environ 1500 m/s, soit cinq fois plus rapide que sa vitesse dans l’air
- dans l’acier, les vibrations se propagent à plus de 5600 m/s
D’une manière générale, plus le milieu est incompressible et plus sa densité est élevée, plus la vitesse de propagation sera rapide.
Trois informations complémentaires sur les ondes sonores
Franchir le mur du son
Lorsqu’un objet dépasse la vitesse du son, autrement dit lorsqu’il franchit les 1220 km/h (340 m/s), on dit qu’il franchit le mur du son. Lorsque c’est le cas, il se produit généralement une détonation capable de briser les vitres à proximité.
Exemple : https://www.youtube.com/watch?v=k4IzBIezhB4&ab_channel=TopFives
Phénomènes sonores
Les ondes sonores subissent plusieurs phénomènes lorsqu’elles traversent un autre milieu :
- Transmission : une partie de l’onde est transmise et continue de se propager
- Absorption : une partie de l’onde est absorbée par le milieu
- Réflexion : une partie de l’onde est réfléchie*
*Un écho correspond au phénomène de réflexion.
On peut noter qu’il existe de nombreux mécanismes pour maîtriser ces phénomènes sonores. Par exemples :
- Le profil des murs permet de limiter le phénomène de réflexion. C’est notamment le cas dans les salles de test pour les satellites.
- L’utilisation d’un double vitrage avec un couche d’air permet d’amplifier l’effet d’absorption et limiter la transmission.
- L’utilisation d’un mur anti-bruit au bord des autoroutes ou dans les aéroports permet d’absorber et d’orienter la trajectoire des ondes sonores.
Silence et sons les plus forts
Les ondes sonores se propagent uniquement dans un milieu matériel. Le son et le bruit n’existent donc pas dans le vide et l’espace.
A l’opposé du silence spatial, voici quelques uns des sons les plus violents enregistrés sur Terre :
- l’explosion du volcan Krakatoa en 1883 estimée entre 200 et 270 dB
- Les explosions de bombes atomiques
- Le lancement de la fusée Saturn V mesurée à 204 décibels
Source : https://www.futura-sciences.com/tech/actualites/technologie-voici-sons-plus-forts-jamais-mesures-94508/
Conclusion
Le son est une vibration mécanique d’un fluide, qui se propage sous forme d’ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide.
Une onde sonore possède quatre caractéristiques principales : sa fréquence (en Hz), son intensité (en dB), son timbre (= la forme de l’onde) et sa vitesse de propagation (en m/s)
Sources
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