Sept expériences pour mesurer la vitesse du son dans l'air

📘 Le microphone est l’un des capteurs du téléphone que nous utilisons le plus en classe. Il sert aux expériences sur les fréquences et sur la forme des signaux sonores, mais aussi à mesurer la vitesse du son. Pour en savoir plus sur ce capteur : notre guide complet des capteurs du smartphone.

La mesure de la vitesse du son dans l’air est l’une des expériences les plus faciles à réaliser avec un smartphone. Pour les élèves, elle est aussi l’une des plus satisfaisantes : les ondes sonores sont un concept souvent abstrait, et l’appareil qu’ils ont dans la poche permet d’en étudier plusieurs propriétés physiques de façon très concrète.

En bref. À 20 °C, la vitesse du son dans l’air est d’environ 343 m/s, soit 1 235 km/h. Bien que très rapide, le phénomène est néanmoins suffisamment « lent » pour qu’un smartphone puisse le mesurer avec une précision raisonnable : bien menées, les expériences qui suivent donnent une vitesse précise à 5 % près environ. Ce qui en soi est exceptionnel quand on réalise que le son parcourt 10 mètres en 29 ms. Trois principes physiques différents permettent de la mesurer : le temps que met un son à parcourir une distance connue, la résonance d’une colonne d’air et les interférences de deux ondes sonores. Ce guide décrit sept expériences de classe qui demandent entre un et trois téléphones, et aucun matériel de laboratoire.

Quelle méthode choisir ?

Les sept expériences se rangent en trois familles : la mesure d’une durée de propagation (expériences 1 et 2), la mesure d’une fréquence de résonance (expériences 3 à 6) et la mesure d’une longueur d’onde (expérience 7). Les précisions indiquées sont celles que nous obtenons en classe, pas les meilleures possibles.

#	Expérience	Principe	Téléphones	Matériel	Précision typique	Niveau	Durée
1	Chronomètre sonore, deux claquements	Durée de propagation	2	Mètre ruban, 5 à 20 m d’espace	3 à 8 % à partir de 10 m	Collège et lycée	30 min
2	Chronomètres synchronisés	Durée de propagation	2	Idem	5 à 10 %	Collège et lycée	30 min
3	Éprouvette et eau	Résonance	1	Éprouvette graduée, eau, règle	Environ 1 % avec régression linéaire	Lycée	35 min
4	Souffler sur une bouteille	Résonance	1	Une bouteille vide, règle	10 à 15 %	Lycée	20 min
5	Le « pop » du bouchon	Résonance	1	Une bouteille bouchée, règle	10 à 15 %	Lycée	20 min
6	Tube et bruit blanc	Résonance	2	Tube en carton, règle	5 à 10 %	Lycée	30 min
7	Interférences de deux sources	Longueur d’onde	2 ou 3	Mètre ruban, une pièce calme	Environ 10 %	Lycée	45 min

Quelques repères pour choisir, selon ce qu’il y a dans le placard et ce que l’on veut faire comprendre à la classe :

Avec un seul téléphone : l’éprouvette (expérience 3) ou une bouteille (4 et 5). Pas besoin de partenaire, et la version avec régression de l’éprouvette est la plus précise des sept.
Au collège : les chronomètres synchronisés (expérience 2). Les élèves voient le décalage apparaître à mesure qu’ils éloignent le téléphone, et la formule dt = d/c se passe d’explication.
Pour le résultat le plus précis : l’éprouvette avec plusieurs hauteurs d’eau et une régression linéaire (expérience 3). Nous obtenons régulièrement moins de 1 % d’écart avec la valeur tabulée.
Pour montrer ce qu’est la résonance : le tube et le bruit blanc (expérience 6). Le spectre à l’écran, avec ses pics régulièrement espacés, c’est l’onde stationnaire rendue visible.
Pour montrer les interférences : les deux sources (expérience 7). Traverser les zones fortes et silencieuses avec le téléphone, les élèves s’en souviennent.
Dehors, avec un grand groupe : les chronomètres sonores (1 et 2). Une distance par binôme, et on compare les résultats au tableau.
Dedans, dans une petite salle : préférer la résonance (3 à 6). Les échos gâchent les mesures au chronomètre et les interférences.

1. Deux smartphones : mesurer la durée de propagation

Comme pour tout calcul de vitesse, l’objectif est de déterminer le temps que met l’onde sonore pour parcourir une distance connue. La vitesse du son étant élevée, cette durée se compte en millisecondes et exige un instrument adapté : le chronomètre sonore, aussi appelé chronomètre acoustique.

Un chronomètre sonore mesure l’écart de temps entre deux sons dont le niveau sonore dépasse un certain seuil. Cet appareil ne se trouve pas sur une paillasse de laboratoire, mais de nombreuses applications pour smartphone le proposent. Dans FizziQ, l’élève peut soit utiliser directement le chronomètre sonore du menu Outils, soit construire le sien à partir des Déclencheurs. Pour se familiariser avec l’instrument, l’activité Temps de réaction au chronomètre est un bon échauffement.

Mesure de la vitesse du son avec FizziQ

Le protocole classique est le suivant. On écarte deux téléphones d’une distance d (au moins 5 mètres, 10 à 20 mètres si possible) et on place un opérateur près de chacun. Les opérateurs tapent dans leurs mains à tour de rôle : le premier claquement déclenche les deux chronomètres, le second les arrête. Chaque claquement atteint le téléphone éloigné plus tard que le téléphone proche, si bien que les deux chronomètres n’affichent pas la même durée. Leur écart dt vérifie dt = 2·d/c, où c est la vitesse du son.

Expérience 1 en bref. Matériel : deux téléphones avec un chronomètre sonore, un mètre ruban, 5 à 20 m d’espace dégagé. Principe : le premier claquement déclenche les deux chronomètres, le second les arrête ; le son de chaque claquement atteint le téléphone éloigné avec un retard d/c. Formule : dt = 2·d/c. Résultat attendu : dt ≈ 29 ms à 5 m, 58 ms à 10 m, 117 ms à 20 m. Précision : 3 à 8 % à partir de 10 m, meilleure avec plusieurs essais. Erreurs fréquentes : distance trop courte par rapport à la précision du déclenchement (±1 à 2 ms), seuil de déclenchement qui réagit aux pas, vent dans l’axe des téléphones.

2. Deux chronomètres synchronisés : la variante La main à la pâte

Le protocole précédent fonctionne bien, mais le facteur 2 de la formule est souvent difficile à comprendre pour les élèves. Nous préférons une variante développée par Aline Chaillou, de la Fondation La main à la pâte.

On commence par synchroniser les deux chronomètres : les téléphones sont posés côte à côte et un premier claquement les déclenche ensemble. On éloigne ensuite l’un des deux téléphones d’une distance d, sans faire de bruit. L’opérateur placé près de ce téléphone arrête alors les deux chronomètres d’un seul claquement. Le son atteint immédiatement le téléphone proche, et le téléphone resté au point de départ après un retard d/c. Les élèves relient tout de suite l’écart de temps, c’est-à-dire le déphasage entre les deux chronomètres, au déplacement du téléphone.

L’écart de temps dt est alors simplement : dt = d/c.

Cette simplicité a un prix. Dans le protocole précédent, chaque claquement est entendu par les deux téléphones, si bien que l’écart mesuré correspond au son parcourant deux fois la distance d : c’est le sens du facteur 2. Pour la même erreur de déclenchement (±1 à 2 ms), l’expérience 1 est donc environ deux fois plus précise que celle-ci, 3 à 8 % contre 5 à 10 %. La variante synchronisée est plus facile à expliquer, mais un peu moins précise ; on compense en allongeant la distance.

Ce protocole permet aussi d’introduire la notion de synchronisation des horloges. C’est le même principe que celui de l’expérience de Hafele-Keating de 1971, dans laquelle des horloges atomiques synchronisées ont été embarquées dans des avions de ligne pour tester les effets prédits par la relativité restreinte et la relativité générale. Attention à régler le seuil de déclenchement du chronomètre pour qu’il ne réagisse pas au déplacement du téléphone. Le protocole complet, avec l’analyse des données, est dans l’activité Vitesse du son : deux chronomètres.

Expérience 2 en bref. Matériel : les deux mêmes téléphones et le mètre ruban. Principe : les chronomètres sont déclenchés côte à côte, un téléphone est éloigné sans bruit, un seul claquement près de lui arrête les deux. Formule : dt = d/c. Résultat attendu : 15 ms à 5 m, 29 ms à 10 m, 58 ms à 20 m. Précision : 5 à 10 %, le retard mesuré étant deux fois plus court que dans l’expérience 1 ; l’écart-type sur des essais répétés diminue vite avec la distance. Erreurs fréquentes : chronomètre du téléphone déplacé déclenché pendant la marche, distance mesurée jusqu’au mauvais point du téléphone.

3. Colonne d’air dans une éprouvette

Les quatre expériences suivantes s’appuient sur la résonance acoustique : une cavité amplifie les ondes sonores dont la fréquence correspond à l’une de ses fréquences propres de vibration. Pour des cavités simples comme un tube ou une bouteille, ces fréquences se calculent facilement et dépendent de la vitesse du son et des dimensions de l’objet. En mesurant la fréquence de résonance, on en déduit la vitesse du son.

Le premier protocole consiste à souffler sur le bord d’une éprouvette graduée pour produire un son, dont on mesure la fréquence fondamentale avec le fréquencemètre de l’application. L’éprouvette se comporte comme un tube fermé à une extrémité, dont la fréquence fondamentale est :

f₀ = c/(4·L + 1,6·D), où L est la longueur de la colonne d’air et D le diamètre intérieur du tube.

Le terme 1,6·D est la correction d’extrémité : l’air vibre un peu au-delà de l’ouverture, si bien que la colonne se comporte comme si elle était plus longue. Pour des mesures plus précises, on mesure la fréquence pour plusieurs hauteurs d’eau dans l’éprouvette. En traçant 1/f₀ en fonction de L, on obtient une droite de pente 4/c : une régression linéaire donne alors la vitesse du son à moins d’un pour cent près, et l’ordonnée à l’origine fournit la correction d’extrémité elle-même.

Expérience 3 en bref. Matériel : un téléphone avec fréquencemètre ou analyseur de spectre, une éprouvette graduée, de l’eau, une règle. Principe : souffler sur le bord excite le fondamental de la colonne d’air ; ajouter de l’eau raccourcit la colonne et fait monter la note. Formule : f₀ = c/(4·L + 1,6·D). Résultat attendu : de 200 à 400 Hz environ pour une éprouvette vide de 25 cm, au-delà de 1 000 Hz quand il reste moins de 5 cm d’air ; 1/f₀ tracé en fonction de L donne une droite de pente 4/c. Précision : autour de 1 % avec la régression, 5 à 10 % sur une seule lecture. Erreurs fréquentes : oublier la correction d’extrémité (c ressort trop grand de 5 à 10 %), note instable (lectures dispersées de ±5 à 10 Hz). Protocole détaillé dans l’activité Vitesse du son : éprouvette.

Calcul de la vitesse du son par mesure de la fréquence de résonance

4. Résonance d’une bouteille

Une bouteille vide sur laquelle on souffle n’est pas un tube : c’est un résonateur de Helmholtz. L’air contenu dans le goulot oscille comme une masse sur le « ressort » que forme l’air du corps de la bouteille. Sa fréquence propre est :

f₀ = (c/2π)·√(S/(V·L’)), où S est la section du goulot, V le volume d’air de la bouteille et L’ la longueur du goulot augmentée de sa correction d’extrémité (L’ ≈ L + 1,7·r, avec r le rayon du goulot).

Ulysse Delabre, de l’université de Bordeaux, détaille dans cette vidéo les calculs qui permettent de remonter à la vitesse du son à partir de la fréquence mesurée quand on souffle dans une bouteille. Pour simplifier les calculs, on peut aussi remplir la bouteille d’eau jusqu’à la base du goulot : il ne reste qu’une colonne d’air cylindrique, et la formule du tube fermé de l’expérience 3 s’applique avec L la longueur du goulot.

Expérience 4 en bref. Matériel : un téléphone, une bouteille vide, une règle. Principe : la bouteille est un résonateur de Helmholtz, l’air du goulot oscille sur le coussin d’air du corps. Formule : f₀ = (c/2π)·√(S/(V·L’)). Résultat attendu : un son grave, de l’ordre de 110 à 130 Hz pour une bouteille de vin de 75 cl vide (goulot de 7 à 8 cm et de 2 cm de diamètre) ; la note monte quand on ajoute de l’eau. Précision : 10 à 15 %. Erreurs fréquentes : le volume d’air et les dimensions du goulot, difficiles à mesurer, dominent l’incertitude.

5. Le « pop » du bouchon

Il n’est pas nécessaire de souffler dans la bouteille. Quand on retire le bouchon, la brusque détente de l’air excite le même résonateur de Helmholtz : le « pop » que l’on entend est l’air du goulot qui oscille pendant quelques centièmes de seconde. En mesurant la fréquence du pop avec le fréquencemètre, on applique la formule de l’expérience 4, avec V le volume d’air réellement présent entre le liquide et le bouchon.

Le modèle de Helmholtz suppose que ce volume d’air est grand devant celui du goulot. L’expérience est donc plus fiable avec une bouteille vide ou à moitié vide, rebouchée puis débouchée, qu’avec une bouteille pleine où l’air se limite à quelques centimètres dans le goulot.

Expérience 5 en bref. Matériel : un téléphone avec le fréquencemètre, une bouteille bouchée, une règle. Principe : le « pop » est le résonateur de Helmholtz excité par la détente de l’air. Formule : la même que pour l’expérience 4, avec V le volume d’air sous le bouchon. Résultat attendu : un pic bref, entre 110 et 200 Hz environ pour une bouteille de 75 cl vide ou à moitié vide, plus aigu si l’air est moins abondant. Précision : 10 à 15 %. Erreurs fréquentes : un « pop » trop court pour que le fréquencemètre s’accroche (l’enregistrer et lire le spectre), un volume d’air non mesuré. Activité associée : Résonance de Helmholtz : bouteille.

6. Tube et bruit blanc ou bruit rose

Ce protocole surprend toujours les élèves. Si l’on émet toutes les fréquences à la fois dans une cavité, celle-ci amplifie sa fréquence de résonance et les harmoniques de cette fréquence, et laisse les autres inchangées. Un bruit blanc, qui contient toutes les fréquences avec la même intensité, est donc la source idéale : son spectre à la sortie du tube fait apparaître directement les fréquences propres du tube.

Prenons un tube ouvert aux deux bouts, comme un rouleau d’essuie-tout ou un tuyau d’aspirateur. À l’une des extrémités, un premier téléphone émet un bruit blanc, disponible dans la bibliothèque de sons de FizziQ. À l’autre extrémité, un second téléphone affiche le spectre de fréquences. Des pics apparaissent pour la fréquence fondamentale et ses harmoniques : c’est l’onde stationnaire du tube rendue visible. Pour un tube ouvert aux deux extrémités, la fréquence fondamentale est :

f₀ = c/(2·L + 1,24·D), avec des harmoniques à 2·f₀, 3·f₀, etc.

On obtient souvent de meilleurs résultats avec un bruit rose, semblable au bruit blanc mais dont l’intensité sonore décroît vers les aigus : le pic du fondamental ressort alors mieux par rapport aux harmoniques. Enfin, comme pour l’éprouvette, on peut répéter la mesure avec des tubes de longueurs différentes et déduire c de la pente de 1/f₀ en fonction de L, qui vaut 2/c.

Expérience 6 en bref. Matériel : deux téléphones (l’un émet le bruit, l’autre analyse le spectre), un tube en carton, une règle. Principe : le tube amplifie les fréquences qui s’accordent à sa longueur ; les pics du spectre sont le fondamental et ses harmoniques. Formule : f₀ = c/(2·L + 1,24·D), harmoniques à 2f₀, 3f₀… Résultat attendu : pour un rouleau d’essuie-tout de 30 cm de long et 4 cm de diamètre, un fondamental vers 530 Hz, puis des pics vers 1 060, 1 580 et 2 110 Hz. Précision : 5 à 10 %, mieux avec plusieurs longueurs de tube et la pente. Erreurs fréquentes : prendre un harmonique pour le fondamental, oublier la correction d’extrémité (8 % de trop pour un rouleau de 30 cm, plus de 20 % pour un rouleau de 10 cm). Activités associées : Vitesse du son : résonance en tube et, pour découvrir le bruit blanc, Bruit blanc : composition spectrale.

7. Interférences de deux sources sonores

Ce dernier protocole s’appuie sur la mesure de la longueur d’onde λ d’un son pur de fréquence f connue, grâce aux interférences de deux ondes. La vitesse s’en déduit par la relation c = λ·f.

En laboratoire, on utilise généralement une source sonore et deux microphones reliés à un oscilloscope à double entrée : en déplaçant un micro par rapport à l’autre, on trouve la distance pour laquelle les deux signaux sont en phase, qui est la longueur d’onde. Un smartphone n’a pas de double entrée, mais on peut s’en passer.

Deux téléphones émettent le même son pur, par exemple le son à 680 Hz de la bibliothèque de sons de FizziQ, et sont placés face à face à environ 2 ou 3 mètres l’un de l’autre. Avec un troisième téléphone, on mesure l’amplitude du signal (instrument Amplitude, vue oscilloscope, de FizziQ, où les minima ressortent plus nettement qu’en décibels) en se déplaçant le long de l’axe qui joint les deux sources. Les deux ondes se superposent : là où elles arrivent en phase, le son est fort (un ventre) ; là où elles arrivent en opposition de phase, il s’éteint presque (un nœud). Deux nœuds consécutifs sont séparés d’une demi-longueur d’onde, soit environ 25 cm à 680 Hz ; un nœud et le ventre voisin sont séparés d’un quart de longueur d’onde, soit environ 12,5 cm. En mesurant l’écart entre plusieurs nœuds, on obtient λ, puis c.

L’expérience peut aussi se faire avec deux téléphones seulement : l’un émet le son et mesure en même temps l’amplitude, l’autre émet le même son et s’en approche lentement ; les maxima et minima défilent sur l’écran du premier. Avec un seul téléphone, on remplace la seconde source par une surface réfléchissante (un mur, une plaque rigide) : l’onde réfléchie interfère avec l’onde directe, avec une précision moindre. Enfin, cette expérience est une bonne entrée en matière pour expliquer le fonctionnement des casques à réduction de bruit active.

Expérience 7 en bref. Matériel : deux téléphones qui émettent le même son pur et un troisième qui mesure l’amplitude, ou deux téléphones seulement, dans une pièce peu réverbérante. Principe : là où les deux ondes arrivent en phase le son est fort, là où elles arrivent en opposition il s’éteint presque. Formule : c = λ·f, avec λ égale au double de la distance entre deux nœuds consécutifs. Résultat attendu : à 680 Hz, des minima successifs espacés d’environ 25 cm ; à 440 Hz, d’environ 39 cm. Précision : environ 10 %. Erreurs fréquentes : réflexions des murs et du mobilier qui brouillent les minima, sources de puissance inégale, téléphone déplacé trop vite ; les deux émetteurs n’étant pas parfaitement synchronisés, la figure dérive lentement dans le temps. Activité associée : Interférences sonores destructives.

Pourquoi trouve-t-on environ 343 m/s ?

Une onde sonore est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel, comme l’air ou l’eau. La vitesse du son, ou célérité, est la vitesse à laquelle cette vibration se propage. Elle dépend de la nature du milieu et, pour un gaz, de sa température.

Si l’on assimile l’air à un gaz parfait diatomique, la vitesse du son se calcule par :

c = √(γ·R·T/M)

γ est le rapport des capacités thermiques à pression constante et à volume constant ; γ = 7/5 pour l’air ;
R est la constante des gaz parfaits, R = 8,314 J/(mol·K) ;
T est la température absolue de l’air, en kelvins ;
M est la masse molaire de l’air, M = 29 g/mol.

À 20 °C, soit T = 293 K, la formule donne c = 343 m/s. La pression n’apparaît pas dans cette formule : à composition donnée, la vitesse du son dans l’air ne dépend que de la température. Comprimer de l’air sans le chauffer ne change pas la vitesse du son. L’humidité joue un rôle très faible, moins de 0,5 % à 20 °C. En pratique, on retient la relation linéaire c ≈ 331 + 0,6·θ, avec θ la température en degrés Celsius : 331 m/s à 0 °C, 343 m/s à 20 °C, 349 m/s à 30 °C.

Dans d’autres milieux, le son va bien plus vite : environ 1 480 m/s dans l’eau, plus de quatre fois la vitesse dans l’air, et près de 6 000 m/s dans l’acier.

Ces trois familles de méthodes sont celles qu’ont utilisées les scientifiques pour déterminer la vitesse du son, dont on savait depuis longtemps, grâce à l’écho, qu’elle était grande mais pas infinie :

➡️ En 1635, Marin Mersenne est le premier à l’évaluer, par la durée de propagation, à environ 448 m/s. Viviani et Borelli affinent la mesure en 1656 et obtiennent environ 350 m/s.

➡️ En 1687, dans les Principia, Isaac Newton propose le premier calcul théorique de la vitesse du son à partir de l’élasticité de l’air. Sa valeur, environ 300 m/s, est trop faible parce qu’il suppose que l’air se comprime à température constante ; Laplace corrige ce point en 1816 en introduisant le coefficient γ de la formule ci-dessus.

➡️ En 1947, Chuck Yeager dépasse pour la première fois la vitesse du son à bord de l’avion-fusée Bell X-1, ce qui répond à une question longtemps débattue : un avion peut-il franchir le « mur du son » ?

Aujourd’hui, chacun peut refaire cette mesure historique avec un ou plusieurs smartphones, sans équipement particulier.

Principales sources d’erreur

Quelle que soit la méthode, une classe soigneuse aboutit entre 330 et 360 m/s. La valeur tabulée est 343 m/s à 20 °C, donc un résultat de 335 m/s dans un couloir froid à 12 °C n’est pas une erreur : la formule donne 338 m/s à cette température. Demandez aux élèves de noter la température avant de commencer.

Avec les chronomètres, le facteur limitant est le déclenchement, précis à ±1 ou 2 ms. Avec les chronomètres synchronisés à 5 m, le retard à mesurer ne vaut que 15 ms, et l’écart-type sur dix essais est typiquement de 5 à 15 %. À 20 m, le retard vaut 58 ms et la dispersion tombe à 5 à 10 %. Avec les deux claquements de l’expérience 1, le retard mesuré double (117 ms à 20 m) pour la même erreur de déclenchement, et la dispersion descend à 3 à 8 %. La distance est la façon la moins chère d’acheter de la précision.

Avec la résonance, le piège est la correction d’extrémité. La colonne d’air vibre un peu au-delà de l’ouverture, si bien que la longueur effective est supérieure à celle du tube : environ 0,6 fois le rayon par extrémité ouverte pour un tube libre, un peu plus pour une éprouvette bordée par les lèvres du souffleur. C’est l’origine des termes 1,6·D et 1,24·D des formules ci-dessus. Sans cette correction, la vitesse du son ressort trop grande de 5 à 20 % selon la longueur du tube, ce qui est exactement l’erreur systématique que les élèves constatent en comparant à la valeur tabulée. La trouver eux-mêmes vaut plus que le chiffre corrigé.

Avec les interférences, la figure n’est jamais aussi nette que sur le schéma. Les minima sont peu profonds à cause des réflexions, les lectures se dispersent de ±2 à 3 dB, et la figure dérive lentement parce que les deux téléphones n’émettent jamais exactement la même fréquence. Mesurer plusieurs franges et diviser par leur nombre, c’est ce qui ramène le résultat à 10 %.

Les outils, en 2026

Les sept expériences ont été conçues pour FizziQ, qui offre aujourd’hui le chronomètre sonore, le fréquencemètre, un analyseur de spectre en temps réel, un générateur de sons purs, de bruit blanc et de bruit rose, et le cahier d’expérience où atterrissent mesures, photos et calculs. FizziQ Web reprend les mêmes instruments sonores sur ordinateur, ce qui est pratique pour la régression de l’expérience 3 ou pour projeter un spectre à toute la classe. Toute autre application dotée d’un chronomètre sonore et d’un analyseur de spectre convient : la physique ne change pas.

Ce qu’il faut retenir

Le smartphone est l’un des meilleurs outils disponibles pour mesurer la vitesse du son : il permet d’aborder le même problème par trois principes physiques différents, avec un matériel que les élèves ont déjà. Les chronomètres montrent une durée de propagation, l’éprouvette et le tube montrent une résonance, les deux sources montrent une interférence. Quelle que soit la méthode retenue, une valeur de vitesse n’a de sens que si l’on sait présenter la mesure avec son incertitude, plutôt que d’annoncer un chiffre isolé. Bonne expérimentation !

Pour en savoir plus sur l’histoire de la mesure de la vitesse du son : « Calculer la vitesse du son après Newton : le défi du jeune Euler (1727) », article disponible sur Academia.edu (https://www.academia.edu/6511050/).

Activités FizziQ associées

Vitesse du son : deux chronomètres - durée de propagation (expériences 1 et 2)
Temps de réaction au chronomètre - prise en main du chronomètre sonore
Vitesse du son : éprouvette - résonance d’un tube fermé (expérience 3)
Résonance de Helmholtz : bouteille - le pop d’une bouteille (expériences 4 et 5)
Vitesse du son : résonance en tube - tube et bruit blanc (expérience 6)
Bruit blanc : composition spectrale - découvrir le bruit blanc
Interférences sonores destructives - deux sources à 680 Hz (expérience 7)
Battements acoustiques 440/441 Hz et Effet Doppler d’un véhicule - pour aller plus loin sur le son

Pour aller plus loin : cet article approfondit un aspect de notre guide complet pour mesurer et analyser le son avec un smartphone ou un ordinateur.

Questions fréquentes

Quelle est la vitesse du son à 20 °C ? Environ 343 m/s dans l’air sec, soit 1 235 km/h. À composition donnée, elle ne dépend pas de la pression, mais elle dépend de la température : environ 331 m/s à 0 °C, 343 m/s à 20 °C, 349 m/s à 30 °C.

Peut-on mesurer la vitesse du son avec un seul téléphone ? Oui, par résonance. Une éprouvette graduée et un peu d’eau (expérience 3) ou une bouteille (expériences 4 et 5) ne demandent qu’un téléphone avec un fréquencemètre. L’éprouvette avec régression est même la méthode la plus précise des sept.

Pourquoi faut-il deux smartphones pour la durée de propagation ? Parce que le son parcourt 10 m en 29 ms, bien trop vite pour une personne et un chronomètre. Deux chronomètres sonores, un à chaque bout, enregistrent l’arrivée du même claquement en deux endroits ; leur différence est le temps de parcours.

La fréquence change-t-elle la vitesse du son ? Non. Dans l’air, aux fréquences audibles, un son à 100 Hz et un son à 5 000 Hz voyagent à la même vitesse. Les élèves peuvent le vérifier avec l’expérience d’interférences à deux fréquences différentes : l’espacement des nœuds change, la vitesse calculée non.

Comment la température influence-t-elle le résultat ? La vitesse du son augmente d’environ 0,6 m/s par degré Celsius. Une mesure faite dehors à 10 °C doit donner environ 337 m/s, pas 343. Notez la température et comparez à la valeur attendue à cette température, pas au chiffre du manuel.

Quelle méthode est la plus précise ? L’éprouvette avec plusieurs hauteurs d’eau et une régression linéaire, à 1 % près environ. Puis le chronomètre sonore à deux claquements (expérience 1) à 20 m ou plus, à 3 à 8 % près ; la variante synchronisée est plus facile à expliquer mais un peu moins précise, 5 à 10 %. Bouteilles et interférences sont plutôt à 10 %.

Peut-on faire ces expériences en intérieur ? Les expériences de résonance (3 à 6) marchent partout. Les chronomètres et les interférences souffrent des échos : un gymnase ou un couloir donne des minima brouillés et de faux déclenchements. Sortez, ou choisissez la salle la plus grande et la plus meublée.

Qu’est-ce que la correction d’extrémité, et peut-on l’ignorer ? L’air d’un tube vibre légèrement au-delà de l’ouverture, si bien que le tube se comporte comme s’il était plus long d’environ 0,6 fois son rayon à chaque extrémité ouverte. L’ignorer fait ressortir la vitesse du son de 5 à 20 % trop grande selon la longueur du tube. La garder dans la formule est ce qui ramène l’éprouvette à 1 %.

Quelle distance sépare deux nœuds dans l’expérience d’interférences ? Une demi-longueur d’onde. À 680 Hz, la longueur d’onde vaut environ 50 cm, donc deux nœuds consécutifs sont séparés d’environ 25 cm, et un nœud du ventre voisin d’environ 12,5 cm.