Propagation d'un signal sonore

La propagation d’un signal sonore est le déplacement d’une onde de pression dans un milieu matériel (air, eau, solide), de la source au récepteur. Le son a besoin de matière : il ne se propage pas dans le vide, et l’onde transporte de l’énergie sans transporter de matière.

Observer expérimentalement la propagation d’un signal sonore

FizziQ enregistre le signal du microphone, affiche sa forme d’onde et son spectre, et permet de dater précisément un événement sonore. C’est ce qui rend accessible la mesure de la vitesse de propagation.

Étapes :

• Placer deux smartphones à une distance D connue et mesurée au décamètre, par exemple 30 à 50 m dans une cour
• Lancer l’enregistrement sonore sur les deux appareils au même instant
• Produire un son bref et net à côté du premier appareil : deux planchettes que l’on claque, ou un coup sec sur une casserole
• Repérer sur chaque enregistrement l’instant d’arrivée du claquement, en zoomant sur le front d’onde
• Calculer v = D / Δt, où Δt est l’écart entre les deux instants d’arrivée
• Répéter cinq à dix fois et prendre la moyenne, puis comparer à 343 m·s⁻¹ à 20 °C

Activités scientifiques sur ce thème

L’application FizziQ permet de réaliser un grand nombre d’expériences sur la propagation des ondes sonores. Ces activités peuvent être trouvées directement dans l’application dans l’onglet Activités, et également sur notre site.

Voici 6 activités sur le sujet de la propagation des ondes sonores qui peuvent être réalisées avec un smartphone :

• Estimation de la vitesse du son par la mesure du temps de parcours
• Mesure de la fréquence de résonance d’une cavité
• Relation entre le niveau sonore et la distance d’une source
• Comment annuler un son en créant un anti-bruit ?
• Mesure de la fréquence du son émis lors de l’ouverture d’une bouteille de vin
• Mesure de fréquence dominante dans un tube

En savoir plus

La propagation du son est un phénomène physique qui joue un rôle essentiel dans notre capacité à communiquer et à percevoir le monde qui nous entoure. Pour un élève de lycée, approfondir la compréhension de ce concept implique d’examiner les principes acoustiques et les propriétés des ondes qui permettent au son de se déplacer à travers différents milieux.

Le son est généré par la vibration d’objets, qui crée des ondes sonores se propageant à travers le milieu environnant, qu’il s’agisse de l’air, de l’eau ou de solides. Ces ondes sont des fluctuations de pression qui se déplacent en transportant de l’énergie sans transporter de matière.

Les ondes sonores sont caractérisées par différents éléments :

• **Fréquence : **La fréquence d’une onde sonore, mesurée en hertz (Hz), détermine sa hauteur. Elle correspond au nombre de cycles complets (une compression suivie d’une raréfaction) qui se produisent en une seconde. Les sons aigus ont des fréquences élevées, tandis que les sons graves ont des fréquences basses.
• Longueur d’onde : La longueur d’onde est la distance entre deux points correspondants successifs dans un cycle d’onde, comme deux compressions ou deux raréfactions consécutives. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est courte.
• Amplitude : L’amplitude d’une onde sonore est liée à son volume ou son intensité. Elle représente la variation maximale de pression par rapport à la pression atmosphérique normale. Une grande amplitude signifie un son fort, tandis qu’une faible amplitude indique un son doux.
• Vitesse de propagation : La vitesse à laquelle une onde sonore se propage dépend du milieu à travers lequel elle voyage. Elle est plus rapide dans les solides que dans les liquides, et plus lente dans les gaz. La température influence également la vitesse du son dans l’air : plus l’air est chaud, plus le son se propage rapidement.
• Timbre : Le timbre est une caractéristique qui permet de distinguer deux sons de même fréquence et amplitude mais émis par des sources différentes. Il est déterminé par la forme d’onde, qui est elle-même influencée par les fréquences harmoniques et les modes de vibration de la source sonore.
• Intensité et niveau sonore : L’intensité sonore I s’exprime en W·m⁻² et mesure l’énergie transportée par seconde et par mètre carré. Le niveau d’intensité sonore L, lui, s’exprime en décibels (dB) : c’est une échelle logarithmique construite à partir de I. Ce sont deux grandeurs distinctes, à ne pas confondre. Le décibel simple ne tient pas compte de la sensibilité de l’oreille aux différentes fréquences ; c’est la pondération A, notée dB(A), qui introduit cette correction.

La vitesse de propagation du son varie selon le milieu : elle est d’environ 343 m/s dans l’air à 20°C, plus rapide dans l’eau, et encore plus dans les solides comme le métal ou le bois. Cette différence de vitesse est due aux propriétés physiques du milieu, notamment sa densité et son élasticité. La compréhension de ces variations est cruciale pour des applications pratiques, telles que la conception acoustique des salles de concert ou la sonarisation.

Les phénomènes de réflexion, de réfraction et d’absorption du son sont également importants. La réflexion est à l’origine des échos et est exploitée dans des technologies telles que le sonar. La réfraction du son, qui se produit lorsque les ondes passent d’un milieu à un autre en changeant de vitesse et de direction, est gouvernée par les écarts de vitesse entre les couches traversées - dans l’atmosphère, ce sont essentiellement les gradients de température qui courbent les rayons sonores. L’absorption, quant à elle, est le processus par lequel l’énergie sonore est convertie en une autre forme d’énergie, souvent de la chaleur, ce qui atténue le son dans certains matériaux.

Les oreilles humaines jouent un rôle clé dans la réception des ondes sonores, les convertissant en signaux électriques que notre cerveau interprète comme des sons. Cette transformation est rendue possible par un ensemble complexe de structures internes dans l’oreille, qui permettent de distinguer les nuances de fréquence et d’intensité du son.

De quoi dépend vraiment la vitesse du son dans l’air ?

C’est le point sur lequel on se trompe le plus souvent. La vitesse du son dans l’air dépend de la nature du gaz et de sa température, et pratiquement pas de la pression atmosphérique. On l’écrit souvent, dans le domaine des températures usuelles :

v ≈ 331 + 0,6 × θ (en m·s⁻¹, avec θ en °C)

soit 331 m·s⁻¹ à 0 °C et 343 m·s⁻¹ à 20 °C. Autrement dit, environ 0,6 m·s⁻¹ par degré.

Pourquoi la pression n’intervient-elle pas ?

L’intuition dit qu’un air « plus comprimé » transmettrait le son plus vite. C’est faux, et la raison est instructive. Pour un gaz, v = √(γP/ρ). Si l’on comprime l’air à température constante, la pression P augmente - mais la masse volumique ρ augmente exactement dans le même rapport, puisque P/ρ = rT pour un gaz parfait. Le quotient P/ρ ne change pas, donc v non plus. En remplaçant, v = √(γrT) : seule la température subsiste.

Conséquence pratique : le son ne va pas plus vite au niveau de la mer qu’en altitude à cause de la pression. S’il y va plus vite, c’est uniquement parce qu’il y fait plus chaud. Il en va de même pour la météo : un jour de haute pression, la vitesse du son n’est pas modifiée par le baromètre.

Le son ne se propage pas dans le vide

Une onde sonore est une onde mécanique : elle a besoin d’un support matériel dont les particules se poussent de proche en proche. Sans matière, pas de propagation. L’expérience historique est celle de la cloche à vide (Hauksbee, Boyle) : une sonnerie placée sous une cloche que l’on vide d’air devient inaudible, alors qu’on la voit toujours vibrer. C’est aussi pourquoi les explosions des films de science-fiction dans l’espace sont, physiquement, silencieuses.

Sept expériences pour mesurer la vitesse du son dans l’air (blog FizziQ) compare sept protocoles et leurs précisions respectives | Peut-on voir un son ? montre comment visualiser une onde sonore avec un smartphone.

Formule

Relation fondamentale entre vitesse, fréquence et longueur d’onde :

v = λ × f

Vitesse du son dans l’air en fonction de la température (approximation linéaire valable entre −20 et +40 °C) :

v ≈ 331 + 0,6 × θ

Expression complète pour un gaz parfait :

v = √(γ × r × T)

Distance parcourue par le son (temps de vol) :

d = v × Δt

Distance d’un obstacle par écho (aller-retour) :

d = v × Δt / 2

où :

• v : vitesse de propagation du son (m·s⁻¹)
• λ : longueur d’onde (m)
• f : fréquence (Hz)
• θ : température en degrés Celsius (°C)
• T : température absolue (K), T = θ + 273,15
• γ : coefficient adiabatique, environ 1,40 pour l’air
• r : constante spécifique de l’air, environ 287 J·kg⁻¹·K⁻¹
• Δt : durée de propagation (s)

Exemples d’application

• Vitesses de propagation typiques : environ 343 m·s⁻¹ dans l’air à 20 °C, 1 500 m·s⁻¹ dans l’eau de mer, 3 200 m·s⁻¹ dans le bois, 5 000 m·s⁻¹ dans l’acier. Le son va donc environ 15 fois plus vite dans l’acier que dans l’air.
• La règle de l’orage : la lumière de l’éclair arrive quasi instantanément, le tonnerre à 343 m·s⁻¹. Trois secondes d’écart correspondent à environ 1 km - d’où le comptage « 3 secondes = 1 kilomètre ».
• Un son de 440 Hz (le La du diapason) a dans l’air une longueur d’onde λ = 343 / 440 ≈ 0,78 m. À 20 Hz, elle atteint 17 m ; à 20 kHz, seulement 1,7 cm. Cet écart de mille explique pourquoi les graves contournent les obstacles et pas les aigus.
• L’échographie médicale utilise des ultrasons vers 3 à 10 MHz : dans les tissus (environ 1 540 m·s⁻¹), la longueur d’onde est inférieure au millimètre, ce qui fixe la finesse des détails visibles.
• Le sonar mesure la profondeur par écho : un aller-retour de 0,2 s dans l’eau correspond à une profondeur de 1 500 × 0,2 / 2 = 150 m.
• La conception des salles de concert repose sur la maîtrise des réflexions : au-delà d’environ 50 ms de retard entre le son direct et le son réfléchi, l’oreille les sépare et l’on perçoit un écho gênant.

FAQ

Q : Le son se propage-t-il dans le vide ? R : Non. Une onde sonore est une onde mécanique : elle a besoin d’un milieu matériel dont les particules oscillent de proche en proche. Dans le vide spatial, il n’y a rien à faire vibrer. La lumière, elle, est une onde électromagnétique et n’a pas besoin de support.

Q : Le son va-t-il plus vite quand la pression atmosphérique est plus élevée ? R : Non, c’est une idée reçue tenace. À composition et température données, la vitesse du son dans l’air ne dépend pratiquement pas de la pression : quand on comprime l’air, la pression et la masse volumique augmentent ensemble et leur rapport reste constant. Seule la température compte réellement.

Q : Est-ce que les molécules d’air voyagent de la source à mon oreille ? R : Non. Chaque molécule oscille autour de sa position d’équilibre sur une distance minuscule. C’est la perturbation de pression - donc l’énergie - qui se propage, pas la matière. C’est la même différence qu’entre une vague et l’eau de la mer, qui reste sur place.

Q : Pourquoi entend-on les basses d’une fête à travers un mur, mais pas les voix ? R : Parce que la longueur d’onde des graves (plusieurs mètres) est grande devant les obstacles et les ouvertures : les basses fréquences diffractent et traversent les parois bien plus facilement. Les aigus, de longueur d’onde centimétrique, sont réfléchis et absorbés par le mur.

Q : Pourquoi mes deux mesures de vitesse du son donnent-elles des résultats très différents ? R : Le plus souvent, ce n’est pas le microphone mais la mesure du temps. Sur une distance courte, Δt est très petit et la moindre imprécision devient énorme en pourcentage. Il faut allonger la distance (30 m ou plus), répéter la mesure et moyenner, et vérifier la synchronisation des deux appareils.

Concepts liés

Vitesse du son - Onde mécanique - Longueur d’onde - Fréquence - Écho et réflexion - Intensité sonore - Effet Doppler - Résonance - Diffraction