Ondes sonores
Objectifs
À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• expliquer la production et la propagation d'un son : onde longitudinale de compression et de dilatation, à trois dimensions ;
• montrer qu'un son a besoin d'un milieu matériel pour se propager ;
• citer des valeurs de la célérité du son et les facteurs dont elle dépend ;
• mesurer la longueur d'onde et la célérité d'un son sinusoïdal à l'aide de deux microphones ;
• situer les domaines des infrasons, des sons audibles et des ultrasons.
Prérequis : onde progressive sinusoïdale, double périodicité, λ = v.T ; utilisation de l'oscilloscope.
Situation de départ
Pendant un orage, on voit l'éclair avant d'entendre le tonnerre : en comptant les secondes, on estime la distance de l'orage. Les chauves-souris chassent dans le noir en émettant des cris que nous n'entendons pas ; les médecins observent un bébé avant sa naissance grâce à des sons tout aussi inaudibles.
Qu'est-ce qu'un son ? À quelle vitesse se propage-t-il ? Pourquoi certains sons nous échappent-ils ?
I. La nature du son
1. Production et propagation
Un son est produit par un objet qui vibre : branche d'un diapason, membrane d'un haut-parleur, corde de guitare, cordes vocales... En vibrant, l'objet comprime puis détend l'air voisin ; ces compressions et dilatations se transmettent de proche en proche.
Le son est une onde mécanique longitudinale (les tranches d'air oscillent parallèlement à la direction de propagation) qui se propage dans les trois dimensions de l'espace.
2. Le son a besoin d'un milieu matériel
Une sonnerie placée sous une cloche dont on retire l'air devient inaudible, alors qu'elle vibre toujours. Le son se propage dans les gaz, les liquides et les solides, mais pas dans le vide : dans l'espace, une explosion serait silencieuse.
II. La célérité du son
On peut mesurer la célérité du son en plaçant deux microphones à une distance d l'un de l'autre, alignés avec la source ; un claquement sec déclenche un chronomètre électronique au passage devant le premier et l'arrête au passage devant le second :
d = 2,00 m et Δt = 5,85 ms : v = 2,005,85.10-3 = 342 m/s (air à 20 °C environ).
Célérité du son
| Milieu | Célérité (m/s) |
|---|---|
| air à 0 °C | 331 |
| air à 20 °C | 343 |
| hélium à 20 °C | environ 1000 |
| eau | environ 1500 |
| béton | environ 3500 |
| acier | environ 5900 |
À retenir
- la célérité dépend du milieu : en général, elle est plus grande dans les solides que dans les liquides, et dans les liquides que dans les gaz ;
- dans un gaz, elle augmente avec la température ;
- elle ne dépend ni de la fréquence ni de l'amplitude du son : dans un concert, les sons graves et aigus d'un même accord arrivent ensemble à vos oreilles.
On entend le tonnerre 6 s après avoir vu l'éclair (la lumière arrive pratiquement instantanément) : l'orage est à environ 340 × 6 ≈ 2 km.
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