Sciences · Physique
Le son, une onde sonore
Le son est une vibration qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel (air, eau, solide). Dans l’air à 20 °C, il avance à environ 343 m/s ; il ne se propage pas dans le vide.
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Une corde de guitare qui vibre, une membrane de haut-parleur qui avance et recule, des cordes vocales qui s’ouvrent et se ferment : à chaque fois, la source pousse et tire les molécules d’air voisines, qui transmettent ce mouvement aux suivantes. Une succession de compressions et de dilatations se propage ainsi jusqu’à notre oreille. La matière, elle, ne voyage pas : chaque molécule oscille autour de sa position. Seules l’énergie et l’information se déplacent.
Le son a besoin d’un milieu
Contrairement à la lumière, le son ne se propage pas dans le vide. Robert Boyle l’a montré au XVIIe siècle : une sonnerie placée sous une cloche dont on retire l’air devient inaudible. Dans l’espace, une explosion est silencieuse.
La vitesse du son
Elle dépend du milieu : plus celui-ci est rigide (et, à rigidité égale, moins il est dense), plus le son est rapide. Elle augmente aussi avec la température dans un gaz.
| Milieu | Vitesse du son |
|---|---|
| Air à 0 °C | 331 m/s |
| Air à 20 °C | 343 m/s (≈ 1 235 km/h) |
| Hélium | ≈ 1 000 m/s |
| Eau douce (20 °C) | ≈ 1 480 m/s |
| Eau de mer | ≈ 1 500 m/s |
| Bois (dans le sens des fibres) | 3 000 à 4 000 m/s |
| Acier | ≈ 5 900 m/s |
| Diamant | ≈ 12 000 m/s |
Dans l’air, une formule approchée est v ≈ 331 + 0,6 × T (T en °C).
Un avion qui dépasse la vitesse du son (Mach 1) produit une onde de choc, le bang supersonique. Chuck Yeager a franchi ce « mur du son » en vol en palier le 14 octobre 1947.
Fréquence et hauteur
La fréquence f est le nombre de vibrations par seconde, en hertz (Hz). Elle détermine la hauteur perçue : un son aigu a une fréquence élevée, un son grave une fréquence basse. La période est la durée d’une vibration : T = 1 / f. La longueur d’onde vaut λ = v / f.
| Domaine | Fréquences | Exemples |
|---|---|---|
| Infrasons | < 20 Hz | Séismes, éléphants, baleines |
| Sons audibles (humain jeune) | 20 Hz à 20 kHz | Voix, musique |
| Ultrasons | > 20 kHz | Chauves-souris (jusqu’à plus de 100 kHz), dauphins, échographie |
Avec l’âge, l’oreille perd la perception des aigus (presbyacousie) : au-delà de 50 ans, la limite supérieure tombe souvent sous 12 à 14 kHz.
Intensité et décibels
L'intensité sonore est la puissance transportée par unité de surface (W/m²). L’oreille percevant une gamme immense d’intensités (de 10⁻¹² à plus de 1 W/m²), on utilise une échelle logarithmique, le niveau d’intensité sonore en décibels (dB) :
L = 10 × log₁₀(I / I₀), avec I₀ = 10⁻¹² W/m² (seuil d’audibilité)
Conséquences pratiques :
- +3 dB = intensité doublée (deux sources identiques au lieu d’une) ;
- +10 dB = intensité multipliée par 10, perçue environ comme un son deux fois plus fort ;
- +20 dB = intensité multipliée par 100.
| Niveau | Exemple | Effet |
|---|---|---|
| 0 dB | Seuil d’audibilité | |
| 30 dB | Chambre calme, chuchotement | |
| 60 dB | Conversation normale | |
| 80 dB | Rue animée, aspirateur | Seuil de risque pour une exposition prolongée |
| 100 dB | Discothèque, marteau-piqueur | Dangereux au-delà de quelques minutes à quelques dizaines de minutes |
| 120 dB | Concert près des enceintes, sirène proche | Seuil de douleur |
| 140 dB | Avion à réaction au décollage, à proximité | Lésions immédiates possibles |
En France, les lieux diffusant de la musique amplifiée sont limités à 102 dB(A) en moyenne sur 15 minutes depuis 2018. Le « (A) » indique une pondération qui tient compte de la sensibilité de l’oreille, moindre pour les graves et les très aigus.
Le timbre
Deux instruments jouant la même note (même fréquence fondamentale) sonnent différemment : c’est le timbre. Il vient des harmoniques, des fréquences multiples de la fondamentale (2f, 3f, 4f…) présentes en proportions différentes, et de l’évolution du son dans le temps (attaque, extinction). Un diapason produit un son presque pur, sans harmoniques.
L’effet Doppler
Quand une source sonore se rapproche, les ondes sont comprimées et le son paraît plus aigu ; quand elle s’éloigne, il paraît plus grave. C’est le changement de ton familier de la sirène d’une ambulance qui passe. Christian Doppler a décrit l’effet en 1842. Il sert aussi à mesurer la vitesse du sang (échographie Doppler) ou des étoiles (pour la lumière).
Comment entend-on ?
- Le pavillon de l’oreille canalise l’onde vers le tympan, qui vibre.
- Les trois osselets (marteau, enclume, étrier) amplifient la vibration et la transmettent à l’oreille interne.
- Dans la cochlée, des cellules ciliées convertissent la vibration en signaux nerveux, chaque zone répondant à une fréquence.
- Le nerf auditif transmet ces signaux au cerveau.
Les cellules ciliées détruites par un bruit excessif ne se régénèrent pas chez l’humain : les pertes auditives liées au bruit sont définitives.
Questions fréquentes
Quelle est la vitesse du son en km/h ?
Environ 1 235 km/h dans l’air à 20 °C (343 m/s), et 1 192 km/h à 0 °C. À l’altitude de croisière des avions, où l’air est plus froid, elle tombe vers 1 060 km/h.
Pourquoi le son va-t-il plus vite dans l’eau que dans l’air ?
Parce que l’eau est beaucoup plus difficile à comprimer que l’air : les molécules se transmettent la vibration plus efficacement. L’effet de la rigidité l’emporte largement sur celui de la densité.
Quelle différence entre son et bruit ?
Physiquement, les deux sont des ondes sonores. Un son musical a une structure périodique (une fréquence fondamentale et des harmoniques) ; un bruit est un mélange désordonné de fréquences. Dans le langage courant, le bruit est un son jugé gênant.
Pourquoi notre voix enregistrée sonne-t-elle différemment ?
Quand on parle, on entend sa voix à la fois par l’air et par la vibration des os du crâne, qui renforce les graves. L’enregistrement ne restitue que la partie transmise par l’air.