4ᵉ · Physique-Chimie · Ondes & signaux
Un son naît toujours d'un objet qui vibre : une corde de guitare, une membrane de haut-parleur, nos cordes vocales. Cette vibration fait vibrer l'air tout autour, et cette perturbation se déplace de proche en proche : c'est une onde sonore. Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager (air, eau, solides).
S'il n'y a pas de matière, il n'y a rien à faire vibrer : le son ne se propage pas dans le vide. C'est pour cela que, dans l'espace, une explosion serait totalement silencieuse.
Le son se propage à une vitesse bien plus faible que la lumière. Dans l'air, elle vaut environ :
Elle est plus grande dans l'eau (≈ 1500 m/s) et encore plus dans les solides. On relie la distance parcourue d, la vitesse v et la durée t par :
C'est ce décalage entre la lumière (quasi instantanée) et le son qui explique qu'on voie l'éclair avant d'entendre le tonnerre.
Un son musical correspond à une vibration qui se répète : elle est périodique. Le nombre de vibrations par seconde s'appelle la fréquence, elle se mesure en hertz (Hz). Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu ; plus elle est petite, plus le son est grave. La fréquence fixe donc la hauteur du son.
L'amplitude de la vibration mesure son ampleur : plus l'amplitude est grande, plus le son est fort. On mesure l'intensité sonore en décibels (dB) : un murmure vaut environ 30 dB, une conversation 60 dB, un concert 110 dB.
Un son trop fort ou écouté trop longtemps abîme l'oreille, et les dégâts sont souvent définitifs. Au-delà de 85 dB, le risque augmente. Réflexes : baisser le volume, s'éloigner de la source, porter des bouchons en concert, faire des pauses.
Avant la théorie, voyons à quoi sert ce chapitre. Le son est partout : il nous permet de parler, d'écouter de la musique, d'être prévenus par une alarme. Mais il fait bien plus.
Certains animaux, comme la chauve-souris ou le dauphin, envoient des sons et écoutent l'écho qui revient pour se repérer et chasser dans le noir : c'est l'écholocation. Les bateaux utilisent le même principe avec le sonar : ils envoient un son sous l'eau et mesurent le temps que met l'écho à revenir pour connaître la profondeur ou repérer un obstacle. En médecine, l'échographie utilise des sons pour voir l'intérieur du corps sans l'ouvrir.
Comprendre le son, c'est enfin savoir protéger ses oreilles, car un son trop fort peut les abîmer pour toujours. Ce chapitre relie donc la musique, les animaux, les bateaux, la médecine et la santé.
Commençons par l'essentiel. Un son naît toujours d'un objet qui vibre : une corde de guitare qu'on pince, la membrane d'un haut-parleur, ou nos cordes vocales quand on parle. Cet objet qui vibre pousse et tire l'air tout autour de lui.
Cette agitation de l'air se transmet de proche en proche, comme une vague, jusqu'à nos oreilles : c'est une onde sonore. Point très important : le son a besoin de matière pour voyager. Dans l'air, dans l'eau, dans un mur, il se propage très bien.
Mais dans le vide, là où il n'y a aucune matière, il n'y a rien à faire vibrer : le son ne se propage pas du tout. C'est pour cela que, dans l'espace, une explosion serait totalement silencieuse, contrairement à ce que montrent les films.
Le son voyage vite, mais bien moins vite que la lumière. Dans l'air, il parcourt environ trois cent quarante mètres chaque seconde. Dans l'eau, il va plus vite, environ mille cinq cents mètres par seconde, et encore plus dans les solides.
Pour relier la distance parcourue, la vitesse et le temps, on utilise une formule que tu connais déjà en mathématiques : la vitesse égale la distance divisée par la durée. On l'écrit v égale d sur t. Si on connaît la vitesse et la durée, on retrouve la distance en multipliant : d égale v fois t.
Cette différence de vitesse entre la lumière et le son explique un phénomène connu : pendant un orage, on voit toujours l'éclair d'abord, puis on entend le tonnerre quelques secondes plus tard. La lumière arrive presque instantanément, le son, lui, prend son temps.
Un son musical correspond à une vibration qui se répète toujours de la même façon : on dit qu'elle est périodique. Ce qui compte alors, c'est le nombre de vibrations par seconde. On appelle cela la fréquence, et elle se mesure en hertz.
Un son de mille hertz, c'est mille vibrations chaque seconde. La fréquence décide si le son est grave ou aigu. Retiens bien : plus la fréquence est grande, plus le son est aigu, comme un sifflet ou une voix d'enfant ; plus la fréquence est petite, plus le son est grave, comme une grosse caisse ou une voix profonde.
La fréquence fixe donc ce qu'on appelle la hauteur du son. Sur un écran d'oscilloscope, un son aigu montre des vibrations très serrées, un son grave des vibrations plus espacées.
Il reste une deuxième propriété du son, à ne pas confondre avec la première. En plus d'être grave ou aigu, un son peut être faible ou fort. Cela dépend de l'amplitude de la vibration, c'est-à-dire de son ampleur : plus la vibration est ample, plus le son est fort.
Pour mesurer si un son est fort, on utilise l'intensité sonore, exprimée en décibels. Quelques repères : un murmure, c'est environ trente décibels, une conversation normale soixante, une rue bruyante quatre-vingts, un concert cent dix. Et c'est là qu'il faut être prudent.
Au-dessus de quatre-vingt-cinq décibels, un son écouté trop longtemps abîme l'oreille, et souvent les dégâts sont définitifs : on n'entend plus jamais aussi bien. Les bons réflexes sont simples : baisser le volume du casque, s'éloigner des enceintes, porter des bouchons en concert, et faire régulièrement des pauses. Attention à ne pas confondre : la fréquence en hertz décide du grave ou de l'aigu, l'intensité en décibels décide du faible ou du fort.
12 des 31 questions de ce chapitre. Les réponses, et les explications de chacune, sont dans l'application.