Un coup de tonnerre, la corde d’une guitare, la voix d’un ami : ces sons nous parviennent sans que l’on voie ce qui voyage. Pourtant, ce sont des signaux sonores qui partent d’une source, traversent un milieu et arrivent à l’oreille. Comment un son est-il produit, jusqu’où va-t-il, et à quelle vitesse ?
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Les signaux sonores : source, milieu et récepteur
Pour qu’un son soit entendu, il faut trois éléments : une source sonore qui produit le son, un milieu qui le transporte, et un récepteur qui le détecte (l’oreille, un microphone).
Un son est produit par une vibration
Pose la main sur ta gorge pendant que tu parles : tu sens une vibration. Pince la corde d’une guitare : tu la vois trembler. Colle des grains de riz sur la membrane d’un haut-parleur : ils sautillent quand il joue.
Une source sonore est un objet qui vibre : il se déplace très rapidement de part et d’autre d’une position d’équilibre. Quand la vibration s’arrête, le son s’arrête aussi.
La vibration de la source met en mouvement l’air voisin : les particules d’air sont tour à tour comprimées puis dilatées. Cette perturbation se transmet de proche en proche, comme une vague, jusqu’à notre oreille. L’air lui-même ne voyage pas de la source à l’oreille : il vibre sur place.
La propagation du son
Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager : gaz, liquide ou solide. On entend sous l’eau, on entend en collant l’oreille sur un rail ou sur une table. En revanche, dans le vide, il n’y a rien pour transmettre la vibration : le son ne se propage pas. Dans l’espace, les astronautes ne s’entendent pas sans radio.
Le son se propage dans l’air, dans l’eau et dans les solides, mais pas dans le vide. Il se propage à une vitesse finie qui dépend du milieu.
| Milieu | Vitesse du son (environ) |
|---|---|
| Air (20 °C) | 340 m/s |
| Eau | 1 500 m/s |
| Bois | 3 500 m/s |
| Acier | 5 000 m/s |
Le son est donc bien plus lent que la lumière (300 000 km/s) : c’est pourquoi on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre. On convertit la vitesse du son dans l’air : 340 m/s × 3,6 ≈ 1 224 km/h.
d = v × t
d : distance parcourue (m) ; v : vitesse du son (m/s) ; t : durée de propagation (s).
On compte 5 s entre l’éclair et le tonnerre. La lumière arrive presque instantanément. Distance de l’orage : d = 340 × 5 = 1 700 m, soit 1,7 km. Règle pratique : 3 secondes de décalage correspondent à environ 1 km.
Un mur est à 85 m. Le son fait l’aller-retour : 2 × 85 = 170 m. La durée est t = d ÷ v = 170 ÷ 340 = 0,5 s. Si la durée entre le cri et son retour est inférieure à 0,1 s environ, l’oreille ne distingue pas l’écho.
Un navire émet un signal sonore vers le fond : il revient au bout de 0,8 s. Dans l’eau, la vitesse est 1 500 m/s. Le signal a parcouru 1 500 × 0,8 = 1 200 m (aller-retour). La profondeur est 1 200 ÷ 2 = 600 m.
Hauteur et intensité d’un son
Deux sons peuvent différer de deux façons. La hauteur dit si le son est grave ou aigu ; elle dépend de la fréquence, c’est-à-dire du nombre de vibrations par seconde, mesuré en hertz (Hz). L’intensité dit si le son est faible ou fort ; elle dépend de l’amplitude de la vibration. Le niveau sonore se mesure en décibels (dB).
Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu. Plus l’amplitude est grande, plus le son est fort. L’oreille humaine entend des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz environ. Au-dessous, ce sont les infrasons ; au-dessus, les ultrasons.
Le la du diapason a une fréquence de 440 Hz : la lame vibre 440 fois par seconde. Une chauve-souris émet des ultrasons de plus de 20 000 Hz, que nous n’entendons pas.
Les niveaux sonores et la protection de l’ouïe
| Situation | Niveau sonore (dB) |
|---|---|
| Murmure | 30 |
| Conversation | 60 |
| Rue animée | 80 |
| Concert | 100 |
| Décollage d’un avion | 120 |
Au-delà d’environ 85 dB, une exposition prolongée peut abîmer l’oreille de façon définitive. Il faut baisser le volume des écouteurs, s’éloigner des enceintes et porter des protections dans les lieux très bruyants.
On confond souvent « fort » et « aigu ». Un son fort a une grande amplitude, un son aigu a une grande fréquence : un coup de tonnerre est fort et grave, un sifflet est faible mais aigu.
Réflexion et isolation phonique
Quand un son rencontre une paroi dure et lisse (mur, falaise), il est en grande partie réfléchi : c’est l’écho. Les matériaux mous ou poreux (laine de verre, mousse, rideaux, moquette) absorbent le son : on les utilise pour isoler une pièce du bruit et améliorer l’acoustique d’une salle.
L’essentiel à retenir
- Un son est produit par un objet qui vibre ; il a besoin d’un milieu matériel pour se propager.
- Le son ne se propage pas dans le vide.
- Vitesse du son dans l’air : environ 340 m/s ; plus rapide dans l’eau et les solides ; d = v × t.
- La hauteur (grave ou aigu) dépend de la fréquence en hertz ; l’intensité (fort ou faible) dépend de l’amplitude.
- L’oreille entend de 20 Hz à 20 000 Hz environ.
- Un niveau sonore élevé (plus de 85 dB) est dangereux ; on se protège.