Cette rubrique a pour bute de définir les propriétés physique de l’onde sonore : Qu’est-ce qu’un son, comment il naît, comment il se propage, comment il est perçu ?
Il faut savoir que le son n’existe que par l’intermédiaire des êtres vivants qui ont la capacité de l’entendre. Pour qu’un son soit créé, il faut un dispositif, naturel (la gorge de l’homme par exemple) ou artificiel (les instruments de musique), qui soit composé de deux parties essentielles : un système mécanique vibrant et une structure résonnante. L’objet qui vibre est appelé source sonore. En effet le son ne prend naissance que dans le cerveau d’un être vivant, puisque avant que l’oreille ne le réceptionne, le son prend le nom d’onde progressive mécanique périodique de type acoustique, une onde qui est de plus tridimensionnelle et longitudinale.
Avant d’étudier plus en détail l’onde sonore, faisons une simple recherche dans le dictionnaire de ce terme, soit :
-Dans le Larousse: « une sensation auditive engendrée par une onde acoustique »
-Dans le Petit Robert : « Toute variation se propageant dans l’air et capable d’impressionner notre oreille »

-Dans l’Encyclopédie Diderot d’Alembert (1751) :« il y a 3 choses à considérer dans le son:
1/ le degré d’élévation entre le grave et l’aigu;
2/ celui de véhémence entre le fort et le faible
3/ et la qualité du timbre qui est encore susceptible de comparaison du sourd à l’éclatant ou de l’aigre au doux »

L’onde sonore est une vibration mécanique, c’est-à-dire une suite de pressions et de dépressions de l’air par rapport à une moyenne (la pression atmosphérique) produite par le mouvement d’un objet (corde qui vibre, peau de djembé, membrane de haut-parleur...).


a) Propagation de l’onde

L’onde sonore comme toute onde se propage dans un milieu matériel sans transport de matière. Elle se propage de proche en proche dans le milieu matériel. D’ailleurs pour s’en convaincre, il suffit de placer un objet bruyant (un réveil par exemple) dans une cloche à vide pour s’apercevoir que l’objet initialement bruyant n’émet plus un seul son. L’onde sonore se propage, à partir de sa source, dans toutes les directions qui lui sont offertes. Elle transporte de l’énergie sans transport de matière.

Pour mieux comprendre ce système prenons l’exemple de la baffle d’une chaîne hi fi :

Si l’on observe la membrane d’un baffle, on constate qu’elle se déplace en même temps qu’un son émis. En avançant, elle comprime les couches d’air voisines de sa surface soit les molécules des gaz de l’atmosphère (80 % d’azote et 20 % d’oxygène). Les molécules d’air comprimées s’entrechoquent avec les particules voisines ce qui les compriment à leurs tours, puis reviennent à leurs positions originelles. On obtient alors une propagation de proche en proche de cette compression, ce qui constitue l’onde sonore. Ce mouvement de particules se propage en s’atténuant, car une perte d’énergie se produit au fur et à mesure que le champ sonore produit par la vibration s’étend. Ces vibrations sont lentes pour les sons graves au point que l’on voit la membrane se gonfler vers l'avant et revenir vers l'arrière de façon répétitive.


fig. 1 - Membrane au repos

Pas de mouvement des particules de l’air autour de la membrane



fig. 2 - Membrane en mouvement

Le mouvement crée une zone de dépression derrière la membrane, et une zone de pression devant. Les particules sont projetées par la membrane.



fig. 3 - Chocs entre particules

Les particules projetées par la membrane rencontrent les particules voisines. Lors du choc, les particules les plus proches de la membrane reviennent vers leurs positions initiales. Le retour de la membrane vers sa position d’origine recrée une dépression, mais ce sont les chocs qui provoquent le retour des particules vers leur point de départ.

fig. 4 - Propagation du mouvement

Les particules qui avaient subi le choc des particules déplacées par la membrane rencontrent à leur tour les particules voisines, qui rencontreront elles-mêmes les particules suivantes... propageant ainsi le son.

L’onde sonore peut, sous sa forme la plus simple, être une fonction sinusoïdale. La longueur d’onde est la distance en mètre entre deux crêtes consécutives, représentée par la lettre grecque lambda. On la calcule facilement avec la formule : lambda = C/F.
La longueur d’onde est la distance qui sépare deux tranches d’air dilatées ou deux tranches d’air comprimées, soit deux points de même pression les plus proches possibles mais étant tout de même alignés dans la direction de propagation.
La longueur d’onde s’exprime en mètre, elle correspond à la longueur d’une oscillation complète, c’est-à-dire, la distance la plus courte qui sépare deux points de matière dans une position identique.
La fréquence audible par l’homme, pour les sons aériens, varie entre 20 et 20000 Hz et la longueur d’onde varie entre 17 m et 17 mm.

La troisième caractéristique de l’onde sonore est sa vitesse. Nous avons tous remarqué qu’il y a un décalage entre le tonnerre et l’éclair ; lorsque qu’un avion rapide passe, le temps de lever la tête en direction du bruit perçu, il a déjà disparu à l'horizon et que l’on entend le train arriver en collant son oreille sur les rails bien avant de l’entendre par voix aérienne. Nous pouvons donc en déduire deux choses : l’onde sonore à une vitesse et elle varie en fonction de la matière dont elle est conduite.

C représente la célérité du son, c'est-à-dire sa vitesse de dans un milieu. Dans l’air, on aura C = 340 m/s
Le mot célérité vient du latin « celeritas » signifiant rapide. La célérité d’un son, comme celle de toute onde, est indiquée par sa longueur d’onde et sa fréquence, ce qui nous donne la relation suivante :






Pour information :
La célérité de la lumière est environ 1 million de fois supérieure à celle du son c’est pour cela qu’il y a un décalage entre le tonnerre et l’éclair.




– Influence des propriétés du milieu

La vitesse de propagation du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l’air est proche d’un gaz parfait, la pression a très peu d’influence sur la vitesse du son sur terre. Mais la célérité du son dépend surtout de la densité et de l’élasticité du milieu :
- Influence de l’inertie du milieu :
Plus un milieu est inerte moins les ondes mécaniques s’y propagent vite. L’inertie d’un corps est la résistance de ce corps aux variations de vitesses, ainsi plus la masse d’un corps est grande, plus ce corps est difficile à mettre en mouvement, et donc plus son inertie est grande.
- Influence de la rigidité du milieu :
Plus un milieu est rigide et plus les ondes mécaniques s’y propagent vite. La rigidité ou l’élasticité d’un corps caractérise sa résistance à la déformation et à la compression.

La célérité du son est plus grande dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz.

a) Durée d’un son

En acoustique, c’est la durée pendant laquelle un son persiste, c'est-à-dire si ce son est bref ou au contraire plus long. Il est nécessaire qu’un son dure au minimum 30 ms pour permettre a l’oreille humaine de l’interpréter correctement.

b) Sons graves ou aigus : la fréquence

Le fait qu’un son soit grave ou aigu dépend de sa fréquence. Plus la fréquence des vibrations est haute plus le son sera aigu, et pour les sons graves. On parle de sons graves, pour l’oreille humaine, lorsque leur fréquence est inférieure à 250 Hz, de sons mediums pour des fréquences comprises entre 500 et 3000 Hz, et de sons aigus pour des fréquences supérieures à 3000 Hz.

Nous représentons ici un son par le mouvement vibratoire le plus simple : la sinusoïde (son non existant dans la nature car il correspondrait à un son d’une seule fréquence). Ce mouvement est périodique, on nomme sa période T, celle-ci s’exprime en seconde et représente la durée entre deux crêtes.
On définit le son pur par la fréquence (F) de cette sinusoïde. La fréquence est le nombre de périodes de la sinusoïde en une seconde. Elle s’exprime en Hertz. 1 Hz = 1 cycle par seconde.

On nomme couramment un son grâce à sa fréquence. En musique par exemple la note de référence qui est le « La » et est aussi nommée «La 440 » car sa fréquence est de 440 Hz. En téléphonie le « la » de référence (440Hz) est celui de la tonalité téléphonique.