1) LE SON ?
1) Définition du son
En réalisant une simple recherche dans le dictionnaire on distingue le son comme étant: “une sensation auditive engendrée par une onde acoustique”, “Ce qui frappe le sens de l’ouïe par l’effet de vibrations qui communiquent leur mouvement à l’air” ou encore “ce qui n’est pas qualifié de bruit”. Bref, les réponses ne sont pas très détaillés. Si on demande à quelques personnes ce qu’ils pensent être le son, les réponses sont également trop abstraites, et souvent fausses. Voyons cela en image:
En revanche, en physique le son peut être définie de façon très précise et détaillé. Nous ferons de notre mieux pour expliquer tout cela:
Le son: une vibration
Le son est une vibration produite par un corps qui est mis en mouvement. Ce phénomène se propage soit dans un gaz, liquide ou solide qu’il peut déformer, mais jamais dans le vide (l’espace). Il lui est donc possible de faire vibrer les choses autour de nous, les vitres de nos fenêtres par exemple. Trois éléments sont nécessaires à l’existence d’un son : une source qui produit le son, un milieu qui transmet la vibration, un récepteur : l’oreille et l’ouïe.
Pour prouver que le son est une vibration de l’air, on réalise l’expérience suivante: Pour voir l’expérience il suffit de cliquer ici.
On représente le son, ou pour être plus juste, ce qui créer la sensation sonore, comme une onde progressive mécanique et périodique de type acoustique. Cette onde se propage dans toutes les directions de l’espace. Elle est également qualifier de longitudinale (≠ transversale).
Une onde?
L’onde représente la perturbation de la matière par le transfert d’énergie. Cependant la matière n’est pas transportée. Lorsqu’un son est produit, l’énergie transportée correspond à la pression que l’on exerce sur le milieu (gaz, liquide ou solide). Cette pression est à l’origine du son produit. Quand on parle d’onde mécaniques, les ondes peuvent se croiser sans se modifier mutuellement. Lors d’un concert, par exemple, on sait apprécier le son de chaque instrument sans que celui-ci soit modifié par un autre.
Progressive?
Une onde est simplement dite progressive lorsqu’elle se déplace dans l’espace. Le terme “onde progressive” s’oppose au terme “onde stationnaire”, qui indique que l’onde est isolé dans un certain espace.
Mécanique?
Lorsqu’on dit qu’une onde est mécanique, il s’agit de définir le type de perturbation de la matière qu’engendre l’onde. Le son équivaut à une onde de pression (ou compression), ce qui comprend des mouvements mécanique de l’air (et non dans le vide, ce que font les ondes électromagnétiques).
Périodique?
Dire que l’onde est périodique, permet d’opposer une onde sonore au bruit. En effet l’onde est périodique lorsque la perturbation de l’air se répète à l’identique avec des intervalles réguliers.
Les courbes ci-dessus, montrent bien l'opposition de la représentation d'une onde sonore à celle d'un bruit. En effet la courbe représentant l'onde sonore est régulière, périodique tandis que le bruit est une courbe chaotique, une onde irrégulière.
Acoustique?
Dire que l’onde est de type acoustique veut dire qu’elle appartient a une branche de la physique. L’objet d’étude de l’acoustique est le son mais aussi les ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique vibratoire.
Longitudinale?
Une onde est soit transversale soit longitudinale. Le son,lui, est longitudinale, ce qui indique que la perturbation de la matière se fait de façon parallèle. De ce fait l’onde sonore se diffuse en “couches”. Avant de parvenir à nos oreilles: une couche de matière sous une certaine pression, va transmettre cette pression à une autre couche à ses côtés, qui subit la même action et ainsi de suite jusqu’à notre oreille. Voici un schéma qui explique ce phénomène:
Les points noires ci-dessus représentent des particules de la matière qui subissent une certaine pression. L'air est un milieu élastique, chaque mollécule en mouvement va faire bouger ses voisines. De mollécule en mollécule, la vibration va se propager tout autour de la source sonore jusqu'à atteindre votre oreille. Ce phénomène est également explique ci-dessous:
Propagation longitudinale du son
2) Caractéristiques du son
Pour décrire le son, on utilise différentes notions: l’intensité et l’amplitude, la hauteur et la fréquence et le timbre.
Au long des explications de ces caractéristiques nous utiliserons les terme “longueur d’onde” ou “période“:
La période T est l’intervalle de temps qui s’écoule entre deux passages successifs par le même état d’un système vibratoire.
La longueur d’onde L correspond à la distance horizontale entre deux points consécutifs, soit deux creux, (voir schéma en dessous) soit deux pics (sommets) (voir schéma en dessous).
Ainsi: L= v x T avec v qui correspond à la vitesse de propagation de l’onde.
a) L’intensité et l’amplitude
L’intensité est la qualité qui fait distinguer un son fort d’un son faible.
L’homme ne perçoit jamais l’intégralité du son produit par une source sonore. En effet, si une source sonore émet avec une puissance constante, le son perçu est de plus en plus faible lorsque l’on s’éloigne de la source. En conséquence l’oreille de l’homme ne reçoit qu’une partie de la puissance de la source. L’ondesonore caractérisée par son intensité se calcule en puissance par surface.
Soit une surface d’aire S perpendiculaire à la direction de propagation de l’onde sonore ; la puissance sonore transférée à travers la surface est P. L’intensité sonore est égale au rapport P/S. Dans le Système International, elle s’explique en W.m-2.
L’intensité est liée à l’amplitude des vibrations sonores. L’amplitude est la mesure de la quantité d’énergie dans l’onde sonore c’est-à-dire la puissance sonore.
Dans le schéma suivant, on a les mêmes ondes mais avec des amplitudes qui différent : 
b) La hauteur et la fréquence
La fréquence est la qualité qui fait distinguer un son aigu d’un son grave. C’est le nombre de vibrations par seconde générées par une onde sonore c’est-à-dire la vitesse de vibration de l’air causée par un son. Elle se mesure en Hertz (Hz): un hertz correspond à 1 vibration par seconde et un kilohertz (kHz) correspond à 1000 vibrations par seconde etc.. L’oreille humaine peut en moyenne détecter des fréquences entre 20 et 20 000 Hz. Les sons en dehors de cet intervalle sont appelés infrasons ou ultrasons.
(Pour écouter les sons à différentes fréquences ci-dessous, il suffit de cliquer sur celui que vous souhaitez entendre)
[1 kHz] [2 kHz] [4 kHz] [8 kHz] [125 Hz] [250 Hz] [500 Hz]
Appliquons maintenant un changement de fréquence sur une onde sonore:
On remarque que lorsque notre son est grave, la période est plus longue, tandis que lorsque notre son est aigu la période est plus courte.
La période détermine la hauteur du son, si elle est longue le son est grave, si elle est courte il est aigu. Dans la pratique, on utilise la fréquence qui est l’inverse de la période : Fréquence= 1/Période
La hauteur d’un son est liée à la fréquence de vibration de la source sonore. Si un son est aigu alors le mouvement vibratoire de fréquence est élevé. Au contraire, si un son est grave alors le mouvement vibratoire est faible.
c) Le timbre du son
Le timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et de même intensité. On l’associe souvent aux harmoniques, dont on parlera plus tard.
d) La vitesse du son
Lorsque le son se propage dans un milieu élastique, sa vitesse ne dépend pas de ses qualités (intensité, hauteur etc.) mais de la nature du milieu et de sa température. Dans un gaz comme l’air, la vitesse ne dépend pas de la pression.
• Dans l’air à 10° C, la vitesse est de 337 mètres par seconde. À 0°C la vitesse diminue: 333 m/s. • Dans les liquides, la vitesse est plus élevée que dans les gaz. En effet dans l’eau à 8°C la vitesse est de 1435 m/s. • Dans les solide, la vitesse dépend de la nature du matériau: dans le bois par exemple sa vitesse est 10 à 16 fois plus élevée que dans l’air. Dans les métaux: 4 à 16 fois.