Un chien accourt au son d’un sifflet que tu n’entends pas, une chauve-souris chasse dans le noir total sans rien voir, un médecin regarde un bébé avant sa naissance : tout cela repose sur des sons de très haute fréquence, les ultrasons. Pour les comprendre, il faut savoir mesurer la fréquence d’un signal et savoir à quelle vitesse le son voyage.
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Un son est une vibration qui se propage
Un son est produit par un objet qui vibre : une corde de guitare, une membrane de haut-parleur, les cordes vocales. Cette vibration se transmet de proche en proche aux particules du milieu qui l’entoure (air, eau, solide) : c’est la propagation du son. Un récepteur, comme l’oreille ou un microphone, la détecte.
Le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager : dans le vide, aucun son ne se transmet. Sa vitesse dépend du milieu : environ 340 m/s dans l’air, 1 500 m/s dans l’eau et 5 000 m/s dans l’acier. C’est beaucoup moins que la lumière (3,0 × 108 m/s) : on voit l’éclair avant d’entendre le tonnerre.
La fréquence d’un signal périodique
Un son pur correspond à un signal périodique : le motif se répète identique à lui-même. Observé à l’oscilloscope ou avec un logiciel, il apparaît sous la forme d’une courbe qui se répète. La durée d’un motif est la période T (en secondes) ; le nombre de motifs par seconde est la fréquence f, en hertz (Hz).
f = 1 ÷ T soit T = 1 ÷ f
f en hertz (Hz), T en secondes (s). 1 kHz = 1 000 Hz ; 1 MHz = 1 000 000 Hz ; 1 ms = 10−3 s.
Un signal a une période T = 2,0 ms = 2,0 × 10−3 s. Sa fréquence est f = 1 ÷ T = 1 ÷ (2,0 × 10−3) = 500 Hz. Un signal de fréquence 440 Hz (le « la » de référence) a une période T = 1 ÷ 440 ≈ 2,27 × 10−3 s, soit 2,27 ms.
Hauteur et intensité d’un son
La hauteur d’un son dépend de sa fréquence : un son grave a une basse fréquence, un son aigu une fréquence élevée. L’intensité (le « volume ») dépend de l’amplitude du signal : plus la courbe est haute, plus le son est fort. Les deux grandeurs sont indépendantes.
Fréquence audible, infrasons et ultrasons
L’oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). Au-dessous de 20 Hz, ce sont des infrasons ; au-dessus de 20 kHz, des ultrasons. Ces sons existent et se propagent comme les autres, mais ils ne sont pas perçus par l’être humain.
| Source | Fréquence | Type de son |
|---|---|---|
| Rumeur d’un éléphant | environ 15 Hz | infrason |
| Voix humaine | 100 Hz à 1 kHz | audible |
| Cri d’une chauve-souris | environ 50 kHz | ultrason |
| Échographie médicale | 2 à 15 MHz | ultrason |
Vitesse du son, écho et sonar
Le son se propage à vitesse constante dans un milieu donné : la distance parcourue est proportionnelle à la durée. C’est la relation qui sert à mesurer des distances.
d = v × t (aller simple) | d = v × t ÷ 2 (écho : t aller-retour)
d en mètres (m), v en m/s, t en secondes (s).
Quand un son rencontre un obstacle, il se réfléchit : c’est l’écho. En mesurant la durée t entre l’émission et le retour, on calcule la distance à l’obstacle. Le sonar d’un bateau fait cela avec des ultrasons dans l’eau pour mesurer la profondeur du fond ou repérer un banc de poissons.
Un sonar reçoit l’écho 0,40 s après l’émission. Dans l’eau, v = 1 500 m/s. La distance aller-retour vaut 1 500 × 0,40 = 600 m, donc la profondeur est d = 600 ÷ 2 = 300 m.
Les applications et les dangers du bruit
Les ultrasons servent à l’échographie (imagerie médicale sans danger, à 2–15 MHz), au sonar, aux télémètres, au nettoyage de bijoux ou de lunettes et aux contrôles de pièces métalliques. Certains animaux les utilisent pour s’orienter (chauves-souris, dauphins). Les infrasons servent à surveiller les séismes et les volcans, et certains animaux comme les éléphants s’en servent pour communiquer.
Le niveau sonore se mesure en décibels (dB). Un murmure est à 30 dB, une conversation à 60 dB, une rue animée à 80 dB, un concert à 100 dB ou plus. Au-delà de 85 dB, une exposition prolongée abîme l’audition de façon irréversible ; le seuil de douleur se situe vers 120 dB. Il faut protéger ses oreilles avec des bouchons adaptés et limiter le volume des écouteurs.
Ne confonds pas la fréquence (en Hz, liée à la hauteur) et l’intensité (liée à l’amplitude et au volume). Attention aussi à ne pas oublier de diviser par 2 dans un calcul d’écho, et à convertir les ms et les kHz avant de calculer.
L’essentiel à retenir
- Un son est une vibration qui se propage dans un milieu matériel, jamais dans le vide ; vitesse dans l’air ≈ 340 m/s.
- La fréquence f (Hz) est le nombre de motifs par seconde : f = 1 ÷ T.
- Grave = basse fréquence ; aigu = haute fréquence ; fort = grande amplitude.
- Audible : 20 Hz à 20 kHz ; infrasons en dessous, ultrasons au-dessus.
- d = v × t ; pour un écho, d = v × t ÷ 2.
- Les ultrasons servent à l’échographie, au sonar et aux télémètres ; au-delà de 85 dB, le bruit est dangereux.