Comment se propage le son ?

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réponse simple

Réponse simple :

Contrairement au vent, le son ne correspond pas à un déplacement d’air, mais à une vibration des molécules1.

Prenons l’exemple d’une pierre jetée dans un lac. En traversant l’eau, elle va générer des vaguelettes à la surface du liquide.

 


Une goutte qui forme des ondes en rebondissant dans l'eau 
(agrandir l'image)

Contrairement aux apparences, les molécules d’eau ne suivent pas le mouvement des vagues : elles ne font que vibrer localement à la manière d’un ressort. Comme elles entraînent les molécules voisines, cette oscillation se propage ainsi par effet domino.

Les vaguelettes générées à la surface du lac sont donc une manifestation de ces vibrations microscopiques. Les molécules d’eau restent sur place, mais leur oscillation se propage au sein du liquide.

 

Tout comme les molécules, un bouchon flottant sur l'eau ne se déplacera pas (© IS) :

 

La propagation du son suit des principes similaires. Sous l’impulsion d’une force externe – par exemple un coup de fusil – les molécules d’air à proximité du lieu se mettent à vibrer2. Elles rebondissent alors contre leurs voisines, transmettant cette oscillation sur une certaine distance.

 


Modèle très simplifié de la propagation du choc entre les molécules d'air

Lorsqu’elles sont suffisamment fortes et régulières, ces variations peuvent être perçues par les récepteurs situés dans l’oreille humaine3. Elles sont ensuite traduites en message électrique, eux-mêmes interprétés par notre cerveau pour que nous puissions attribuer un « son » à ces vibrations mécaniques qui se déplacent dans l’atmosphère.

 


Les différentes parties de notre oreille transforment les sons en signaux électriques 
(agrandir l'image)

Remarquez que ces ondes sonores peuvent également se propager dans d’autres matériaux, notamment dans l’eau et les solides. Certains facteurs comme la densité et la température peuvent jouer un rôle important dans la vibration des molécules, et modifier ainsi la nature finale des sons.

 

 

Vous souhaitez davantage de précisions ? Lisez l'onglet "réponse avancée" en début d'article.

 

réponse avancée

Réponse avancée :

Le son est un phénomène physique qui naît de la vibration des molécules. Il ne peut donc pas se propager dans le vide, mais demande la présence d’un support matériel, comme par exemple l’atmosphère terrestre1.

Au sein d’un matériau, les nombreux atomes interagissent les uns avec les autres par des forces électriques de différentes natures5. Même sans influences extérieures, ces particules ne sont jamais totalement fixes ; elles peuvent osciller autour d’une position d’équilibre. Plus les forces interatomiques sont faibles, plus les atomes ont de liberté de mouvement, comme dans les gaz. Au contraire, dans les liquides et les solides, l’intensité des liaisons réduit ce mouvement à de faibles vibrations6.

 


Modèle très simplifié de l'état des molécules dans les différents matériaux

Lorsqu’une force extérieure – par exemple un haut-parleur – fournit de l’énergie à un groupe d’atomes, ceux-ci vont se déplacer dans le sens de la force et se rapprocher de leurs voisins. On se retrouve alors avec une forte densité d’atomes en un point donné. En raison des forces électriques, ces atomes voisins vont être repoussés à leur tour et cette vague va ainsi se propager spatialement.

Les atomes reviennent ensuite en arrière et continuent à osciller dans leur élan7, notamment si la source du bruit est toujours présente. En prenant du recul, on peut donc observer la formation de zones de haute pression et de basse pression qui s’alternent avec le temps2 et 8, d’où la notion d’onde. Remarquez que ce ne sont pas les atomes eux-mêmes qui avancent, mais leurs vibrations qui sont transmises de proche en proche.

 


Représentation très simplifiée de la propagation des ondes sonores

Ces ondes sonores – autrement dit ces variations locales de pression – peuvent être représentées graphiquement par une série de pics et de creux qui s’échelonnent dans le temps.

 

Ci-dessous, un exemple d'onde sonore périodique (dessiné avec GeoGebra). Déplacez les curseurs pour changer les propriétés :

Ce modèle permet d’isoler trois caractéristiques principales qui détermineront la nature finale du son9 et 10 :

    • La fréquence de l’onde – mesurée en Hertz – correspond au nombre de pics de pression par seconde. Elle représente ainsi la vitesse d’oscillation des molécules et détermine le ton (la « note ») du son entendu.
    • L’intensité, symbolisée par la hauteur des pics, illustre la force des vibrations. Elle représente le volume sonore, c’est-à-dire la quantité d’énergie propagée depuis la source initiale du bruit, mais elle diminue avec la distance en raison des pertes thermiques dans le milieu.
    • Le timbre, telle une empreinte digitale, est donné par les irrégularités et imperfections de la forme de chaque onde.

Ces facteurs dépendent en premier lieu de la source du son, mais également des conditions du milieu où il se propage : densité, température, agitation des molécules, etc.

Il en va de même pour la vitesse de l’onde résultante11, non représentée dans le modèle ci-dessous, qui est très sensible aux propriétés physiques du milieu de propagation. On entendra par exemple plus rapidement un son sous l’eau que dans l’air.

 


L'état du milieu - ici en présence de vent - modifie la nature et la vitesse du son 
(agrandir l'image) (source - modifiée)

Dans un milieu homogène, on part du principe que le son se propage de manière identique dans toutes les directions. Lorsqu’une onde parvient à nos oreilles, elle active des récepteurs sensibles à ces variations de pression3. Ces signaux sont ensuite traduits en impulsions électriques interprétables par notre cerveau.

 


Les différentes parties de notre oreille transforment les ondes sonores en signaux électriques 
(agrandir l'image)

Si l’être humain est généralement capable d’entendre des sons compris entre 20 et 20’000 Hertz, ces valeurs peuvent varier avec l’âge et diffèrent grandement d’après les espèces4. L’intensité joue également un rôle dans ces perceptions, car ce n’est qu’à partir d’un certain seuil de puissance que nos oreilles parviennent à traiter le signal12.

 


Audition en fonction de la fréquence et de l'intensité des sons (données issues de l'ISO 226:2003) (agrandir l'image)

Commentaires   

+11 #2 Cyril 10-11-2015 03:12
Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Un son se propage-t-il, dans un milieu homogène, obligatoirement de manière circulaire ?


Si le milieu est homogène et isotrope (le même dans toute les directions), alors en effet l'onde sonore se propage sphériquement. En pratique, je pense que ça va quand même dépendre de la source sonore. Si on imagine un haut parleur, le son va se propager essentiellement à l'avant du haut parleur et en moindre mesure à l'arrière de celui-ci, simplement parce que l'impulsion initiale est dirigée à la base dans une direction bien définie.

Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Et s'il rencontre un obstacle, que se passe-t-il est-ce qu'il rebondit comme pour la lumière ?


Oui en effet, le son va se réfléchir sur un obstacle comme la lumière, c'est-à-dire que l'angle de l'onde incidente est le même que l'angle de l'onde réfléchie. On peut aussi observer un phénomène de réfraction lorsque le son change de milieu de propagation (par exemple si la température de l'atmosphère change dans une certaine région).


Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Si on laisse tomber un objet par terre, le son circule-t-il aussi à travers la terre ?

En effet le son peut aussi se propager à travers les solides selon le même principe (vibration moléculaire). Par contre ce n'est pas un "son" que l'on peut entendre directement.


Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Est-ce qu'un son peut traverser notre corps ?

C'est justement le mécanisme à la base de l'imagerie médicale par échographie fr.wikipedia.org/.../.... Des ultrasons (dans les MegaHertz) sont envoyés dans le corps, rebondissent sur différents organes avant d'être capté pour former une image interne.

Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Est-ce que les vibrations sonores peuvent ʺchaufferʺ ?

Oui, mais très faiblement. La propagation de l'onde sonore correspond à une propagation d'énergie sous forme de vibrations des molécules. Du coup, une fois que cette énergie est dissipée dans l'atmosphère, on peut dire que l'on a transféré de la chaleur dans l'atmosphère. Mais il faut savoir que l'énergie transportée par le son est en général très faible. Par exemple sur ce site (physicscentral.com/.../...), on peut trouver un petit calcul simplifié qui estime qu'il faut hurler pendant plus d'un an et demi pour chauffer une tasse de café !

Citation en provenance du commentaire précédent de Nadia :

Les molécules ne se déplacent pas mais les vibrations sont propagées, OK, mais propagées aux molécules des ʺobjetsʺ qui les entourent et qui vibrent à leur tour ?

Ce n'est pas impossible que les objets alentours se mettent à vibrer sous l'effet d'un son, mais seulement dans certains cas assez précis. Par exemple, un haut parleur avec la musique à très fort volume peut faire vibrer certain objet alentours. De même, il est possible de faire vibrer un verre jusqu'à ce qu'il se casse lorsqu'on le soumet à un son de fréquence bien précise (www.youtube.com/.../).
Mais dans la plupart des cas, les vibrations dans les objets environnant vont rapidemment s'atténuer.
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+11 #1 Nadia 27-10-2015 12:05
Intéressant article, clairement expliqué et illustré.
Il a pourtant généré une ribambelle de questions :
Un son se propage-t-il, dans un milieu homogène, obligatoirement de manière circulaire ?
Et s'il rencontre un obstacle, que se passe-t-il est-ce qu'il rebondit comme pour la lumière ?
Si on laisse tomber un objet par terre, le son circule-t-il aussi à travers la terre ?
Est-ce qu'un son peut traverser notre corps ?
Est-ce que les vibrations sonores peuvent ʺchaufferʺ ?
Les molécules ne se déplacent pas mais les vibrations sont propagées, OK, mais propagées aux molécules des ʺobjetsʺ qui les entourent et qui vibrent à leur tour ?
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