Le Son et les Ondes Sonores
Le son, fréquence et intensité sonore
Définition
Le son est une onde mécanique longitudinale qui nécessite un milieu matériel pour se propager (air, eau, métal...). Contrairement à la lumière, il ne peut pas se déplacer dans le vide. Il résulte d'une vibration d'un objet (cordes vocales, membrane de haut-parleur, corde de guitare) qui met en mouvement les particules du milieu environnant. Ces particules se compriment et se dilatent successivement, transmettant l'énergie de proche en proche sans déplacement global de matière. On parle d'onde longitudinale car la direction de la perturbation (la compression) est parallèle à la direction de propagation de l'onde.
Concepts Clés
La fréquence audible
La fréquence audible définit la plage des sons perceptibles par l'oreille humaine moyenne, soit de 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz). En dessous de 20 Hz, on parle d'infrasons (perçus par certains animaux comme les éléphants). Au-delà de 20 kHz, ce sont les ultrasons, utilisés par les dauphins, les chauves-souris et dans de nombreuses applications technologiques.
Hauteur, Intensité et Timbre
Un son pur est caractérisé par trois grandeurs physiques principales. La hauteur (aigu/grave) est liée à sa fréquence f (en Hz). L'intensité sonore (fort/faible) est liée à l'énergie transportée par l'onde par unité de surface et par unité de temps. Le timbre est la "couleur" du son qui permet de distinguer deux instruments jouant la même note ; il dépend de la forme de l'onde, c'est-à-dire des harmoniques qui accompagnent la fréquence fondamentale.
Vitesse de propagation
La vitesse de propagation du son dépend fortement du milieu. Dans l'air à 20°C, elle est d'environ 340 m/s. Elle est plus grande dans les liquides (environ 1500 m/s dans l'eau) et encore plus dans les solides (plusieurs milliers de m/s dans l'acier). Elle augmente avec la température.
L'effet Doppler
L'effet Doppler est le changement de fréquence perçue lorsque la source sonore et l'observateur sont en mouvement relatif. Quand la source se rapproche, les ondes sont "comprimées", la fréquence perçue est plus haute (son plus aigu). À l'inverse, quand elle s'éloigne, la fréquence perçue est plus basse (son plus grave). C'est ce phénomène que l'on observe avec la sirène d'une ambulance qui passe devant nous.
Formules et Équations Essentielles
Relation fondamentale :
- • v : vitesse de l'onde (en m/s)
- • λ (lambda) : longueur d'onde (en m)
- • f : fréquence (en Hz)
- • d : distance parcourue (en m), Δt : durée (en s)
Niveau sonore (en décibels dB) :
- • L : niveau d'intensité sonore (en dB)
- • I : intensité sonore du son considéré (en W/m²)
- • I₀ : intensité de référence, seuil d'audibilité à 1000 Hz
- • I₀ = 10⁻¹² W/m²
Exemples Concrets
1. Instrument de musique
Une corde de guitare pincée vibre à une fréquence fondamentale qui détermine la note (ex: 440 Hz pour le La). La forme de la caisse de résonance amplifie certaines harmoniques, donnant son timbre caractéristique à l'instrument.
2. Écholocation des chauves-souris
Elles émettent des salves d'ultrasons (autour de 80-120 kHz). En analysant l'écho de ces ondes réfléchi par un insecte, elles déterminent sa position, sa taille et sa vitesse avec une grande précision.
3. Échographie médicale
Une sonde émet des ultrasons qui pénètrent les tissus corporels. Les différentes interfaces entre les organes (muscle, graisse, os) réfléchissent une partie de ces ondes. L'analyse des échos permet de reconstruire une image en temps réel.
Expérience Illustrative
Le téléphone à ficelle
Matériel :
- Deux gobelets en carton
- Une ficelle fine d'environ 10 mètres
- Deux cure-dents ou allumettes
Protocole :
- Percez un petit trou au fond de chaque gobelet.
- Passez une extrémité de la ficelle dans le trou d'un gobelet et faites un nœud assez gros à l'intérieur pour la bloquer. Fixez éventuellement le nœud avec un morceau de ruban adhésif.
- Répétez l'opération avec l'autre extrémité de la ficelle et le second gobelet.
- Tendez la ficelle entre deux personnes, en veillant à ce qu'elle ne touche aucun autre objet.
- Une personne parle doucement dans son gobelet tandis que l'autre écoute avec le sien collé à l'oreille.
Observation :
La voix de la personne qui parle fait vibrer le fond du premier gobelet. Ces vibrations sont transmises le long de la ficelle tendue (milieu solide) jusqu'au second gobelet qui entre en résonance, reproduisant le son. On constate ainsi que le son se propage très bien dans un solide (la ficelle) et que l'énergie vibratoire peut être canalisée.
Points à Retenir
- Le son est une onde mécanique longitudinale qui nécessite un milieu matériel pour se propager.
- L'oreille humaine perçoit les fréquences entre 20 Hz et 20 kHz. La hauteur dépend de la fréquence, l'intensité de l'énergie transportée.
- La vitesse du son dépend du milieu : environ 340 m/s dans l'air à 20°C, plus rapide dans les liquides et les solides.
- L'effet Doppler explique la variation de hauteur perçue lors d'un mouvement relatif entre source et observateur.
- Le niveau sonore se mesure en décibels (dB) sur une échelle logarithmique. Une augmentation de 10 dB correspond à une intensité multipliée par 10.
