Définition
Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide.
En outre, c'est une manifestation de l'énergie de vibration d'un objet, comme une vibration d'une corde de guitare, des cordes vocales humaines ou encore de l'anche d'un saxophone, par exemple.
Les ondes sonores se propagent dans toutes les directions à partir de leur source, à une vitesse de 334 mètres par seconde dans l'air sec. Elles se déplacent également dans d'autres milieux, l'eau et les solides par exemple : plus le milieu est dense , plus elles se propagent rapidement. En l'absence d'un milieu de propagation, elles ne peuvent pas se déplacer, c'est pourquoi les sons ne se propagent pas dans le vide. http://sontpe.blogspot.com/2010/12/experience-n1.html
Comme tout mouvement périodique, le son a une certaine longueur d'onde
Elle correspond à la distance qui sépare deux crêtes ou deux creux adjacents des ondes sonores. Le nombre d'ondulations produites par seconde s'appelle la fréquence du son, étant généralement comprise entre 20 et 20 000 hertz (cycles par seconde), qui correspond à la gamme perceptible par l'oreille humaine. La fréquence d'un son pur s'appelle "la hauteur". Ensuite, l'amplitude d'une onde sonore correspond à sa hauteur par rapport à un niveau moyen et le carré de sa valeur mesure le niveau sonore.
Si la surface réfléchissante est importante et qu'elle se trouve à plus de 30 mètres environ de la source sonore, la réflexion du son constitue l'écho. Lorsque la surface est plus petite ou qu'il s'agit de l'arête d'un immeuble, par exemple, les ondes sonores contournent l'obstacle, l'effet obtenu étant appelé la diffraction. Elle s'observe avec la lumière, mais également avec le son et les vagues.
La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent. Ce phénomène explique comment le son circule dans les coins ; En effet, la direction des ondes sonores varie également lorsque le son se propage d'un milieu à un autre, de densités différentes : c'est ce que l'on appelle la réfraction.
Plus précisément, c'est le changement de direction que subit la lumière quand elle change de milieux transparents et homogène. Ce changement de direction de la lumière dépend de plusieurs paramètres (comme la nature des milieux transparents traversés) et ces paramètres sont liés par des lois comme celles de Descartes !
La lumière se propage en ligne droite dans l’air ainsi que dans l’eau. Mais elle change de direction au niveau de la surface de séparation entre 2 milieux transparents et homogènes différents et elle est déviée.
Toutes les ondes mécaniques ont une vitesse qui leur est propre. Cette vitesse de déplacement, appelée célérité pour les ondes est susceptible de changer, selon la rigidité du milieu dans lequel elle se propage.
On peut écrire :
C : Célérité en m/s
d : distance parcourue en mètres
t : durée en secondes
Les sons que perçoit l'homme se propagent généralement dans l'air, et ce, bien qu'il soit capable d'en percevoir dans l'eau. La "rigidité" de l'air est susceptible de changer selon certains paramètres, la température et la pression. On peut calculer la célérité du son dans l'air en fonction de la température grâce à la relation suivante:
T : température en Kelvins.
Ainsi a 20°C soit 293K on calcule la célérité du son :
(Il est intéressant de préciser que dans l'eau, le son se déplace a 1460 m/s et dans l'acier à 5500 m/s.)
Cette célérité dépend aussi de la densité du matériau dans lequel le son se propage.
En général, il se répand à une vitesse de 300m/s (soit environ 1080 km/h). Cette vitesse peut paraître rapide au premier abord mais il est très facile de l'observer pendant les orages ou l’on voit les éclairs avant d’entendre les coups de tonnerre associés. En effet, l’éclair et le tonnerre se produisent au même moment ou la foudre tombe. Pour l’observateur situé à quelques kilomètres, l’éclair est vu quasiment instantanément car la lumière de l’éclair se propage à 300000 km/s. Même si la foudre tombe à 5 kilomètres, l’éclair est vu en 0.000016 secondes alors que le son du tonnerre va mettre 5000/3000 = 16 secondes à arriver à nos oreilles. D’où la technique qui consiste à compter les secondes entre l’éclair et le tonnerre et à diviser les secondes par 3 pour obtenir la distance à laquelle la foudre est tombée en kilomètres.
(Le son met 3 secondes pour parcourir 1 km: si l'on entend le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair, la foudre est tombée à 2 km).
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 = 340m/s
- Vitesse du son dans l’air à 30°c = 350 m/s
- Vitesse du son dans l’eau = 1480m/s
- Vitesse du son à travers un mur de béton = 3100 m/s
- Vitesse du son à travers les fenêtres en verre = 5300 m/s
La célérité à laquelle l'onde se déplace dépend de la densité, de l'élasticité et de la température du milieu de propagation. La vitesse de propagation du son diminue lorsque la densité de la matière augmente.
Un point historique sur la vitesse du son:
Les premières expériences visant à mesurer la vitesse du son sont l'œuvre de Marin Mersenne et Pierre Gassendi durant la Renaissance. Durant le XVIIe siècle d'autres expériences sont menées par Edmond Halley et Robert Boyle ainsi que par Giovanni Domenico Cassini et Christian Huygens, mais les résultats sont contradictoires. L'académie des sciences française décide alors d'organiser des nouvelles expériences en 1738. À l'aide de coups de canon tirés la nuit entre l'observatoire de Paris, Montmartre, Fontenay-aux-Roses et Montlhéry, on estime la vitesse du son à 333 m/s dans une température de l'air à 0 °C. Une fois de plus, les résultats sont contradictoires avec la répétition de l'expérience en Allemagne. La vitesse du son est également déterminée dans d'autres environnements, comme en 1808 dans les solides par Jean-Baptiste Biot et en 1828 dans l'eau du Lac Léman par Jean-Daniel Colladon et Charles Sturm.Ensuite, comme toutes les ondes, une onde sonore peut être définie par 2 grandeurs :
-La fréquence
-L’amplitude
-La fréquence d’une onde sonore reflète la hauteur d’un son et se mesure en Hz.
Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et plus elle est faible, plus le son est grave.
L'homme entend en moyenne les sons de fréquences comprises entre 20 Hz (sons graves) et 20 000 Hz (sons aigus). On ne perçoit plus les sons très aigus au delà d'une certaine fréquence et inversement, on ne perçoit pas non plus les sons graves en dessous d'une certaine fréquence.
Avec l'âge, ce domaine se rétrécit et est propre à chacun.
-Les chauves-souris n'entendent, par exemple, que les sons de fréquence supérieure à 1 000Hz.
-Le chien et le dauphin entendent également les ultrasons, qui ont des fréquences supérieures à 20kHz.
Au dessous de 20Hz on parle d'infrasons qui ne sont plus des sons à proprement parler.
-L’amplitude d’une onde sonore reflète le volume sonore (intensité) ;
Cette dernière représente en fait une mesure du déplacement des molécules d'air. Plus l'amplitude de l'onde sera grande, plus les molécules d'air frapperont avec force la membrane de l'oreille, et donc plus le son paraîtra fort. La sensation sonore n'est pas proportionnelle à l'énergie sonore reçue par l'oreille ( si c'était le cas, la sensation provoquée par le bruit du tonnerre serait insupportable).
La principale notion pour mesurer un son s'avère être la puissance acoustique :
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.
Récapitulatif :
T : la période de l'onde
A : l'amplitude de l'onde
Il est impossible pour le son de se propager quand il n’y a pas de support autour de lui, c'est-à-dire dans le vide et ceci est démontré par l’expérience suivante : « la compressions du réveil »
On enferme un réveil dans une cloche en verre et on le fait sonner, et on peut entendre 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 alors petit à petit jusqu'à disparaître complètement.
Remarque : l’addition des sons est particulière.
En effet, l'échelle des dB est une échelle dite logarithmique, ou relative, ce qui signifie qu'un doublement de la pression sonore, de l'énergie du son, implique un accroissement de l'indice par approximativement 3.
Autrement dit, le résultat de l'addition de deux niveaux sonores identiques n'est pas un niveau sonore double mais le niveau sonore augmenté de 3 décibels ;
Exemple : 40 dB et 40 dB ne donnent pas 80 dB mais 43 dB. 70 dB et 70 dB ne donnent pas 140 dB mais 73 dB.
De ces trois sources sonores, le son le plus pur est celui émis par le diapason, car il est constitué presque uniquement de vibrations ayant une fréquence de 440 Hz. Par contre, le La produit par un piano ou un violon se compose d'une vibration principale de 440 Hz, appelée la fondamentale, à laquelle se superposent d'autres vibrations, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Ces autres vibrations sont alors appelées harmoniques, et leurs intensités déterminent le timbre de la note.
Un son est donc la superposition complexe de diverses ondes sonores et n'existe jamais naturellement à l'état d'une seule et unique vibration.
