Comment se propage le son ?

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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 temps^{2 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. Cliquez sur l'icone "réactualiser" en haut de l'animation puis jouez avec les curseurs :

Ce modèle permet d’isoler trois caractéristiques principales qui détermineront la nature finale du son^{9 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)