1. Les ondes sonores


A) Généralités

Une onde est le passage d'une perturbation parmi les particules d'un milieu. Lorsque l'onde est passée, les particules retrouvent leur position de repos. On dit qu'une onde se propage.

Cette perturbation se crée par le mouvement d'un objet (une corde de guitare, un diapason, la surface d'un tambour...) qui se transmet de molécule en molécule. Lorsque la surface d'un objet se déplace, cela met en mouvement toutes les molécules qui l'entourent.


Vibrations moléculaires (vidéo sans son)


Une onde sonore est une onde mécanique qui se propage uniquement dans des milieux élastiques (comme l'eau, l'air), mais pas dans le vide (car le vide n'est pas un milieu élastique). Nous pouvons observer que le son ne se propage pas à la même vitesse dans tous les milieux : 

  • à 344 m/s dans l'air à 20°C
  • à 1 482 m/s dans l'eau douce
  • à 5 650 m/s dans l'acier


Les sons sont des ondes sonores. Les sons aigus et graves sont définis par leur fréquence. La fréquence est un phénomène périodique qui correspond au nombre de vibrations par seconde. La fréquence se note généralement f et se mesure en Hertz (noté Hz).

Le phénomène périodique d'une onde sonore est aussi défini par son amplitude, qui est correspond à l’écart entre l'intensité minimale et  maximale. Elle se note A.


schéma montrant l'amplitude


La période d'un phénomène périodique est la durée au bout de laquelle le phénomène se répète. Elle se note T et s'exprime en secondes.


schéma montrant la période


La longueur d’onde d’un phénomène périodique correspond à la distance parcourue en une période. Elle est couramment assimilée à la distance séparant deux pics. Elle se note λ ou l et s’exprime en mètres.

Elle se calcule ainsi :    λ=V.     avec λ la longueur d’onde en m ; V la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau m.s-1 ; et T la période en seconde.

La fréquence est l'inverse de la période (donc F = 1/T). Ainsi, plus la période est courte, plus la fréquence est haute et plus les sons sont aigus. Réciproquement, plus la période est longue, plus la fréquence est basse et plus les sons sont graves.

On en déduit que la longueur d'onde et la fréquence de l'onde sont liées par la relation :   λ=V/f    avec V la vitesse de propagation de l’onde dans le matériau m.s-1 ; λ la longueur d’onde en m ; et f la fréquence en Hz.



Les sons aigus possèdent une fréquence supérieure à 3 000 Hz, les sons médiums possèdent une fréquence comprise entre 500 et 3 000 Hz, et les sons graves possèdent une fréquence inférieure à 500 Hz.


B) Caractérisation des sons

Un son pur (ou son simple) correspond à une onde sinusoïdale (c'est-à-dire une courbe) dont la fréquence et l'amplitude maximale sont constantes au cours du temps. Le son du diapason est un exemple de son pur dont la fréquence est de 440 Hz, ce qui correspond au la musical.


La plupart des sons que nous entendons sont des sons complexes. Ils sont composés de plusieurs sons purs, de fréquences et d'amplitudes différentes.


Représentation graphique d'un son complexe résultant de la superposition d'harmoniques



La différence entre un son agréable et un bruit est la différence des harmoniques qui les composent. En effet, pour un son agréable, la fréquence des harmoniques est un multiple de celle de la fondamentale. Les fréquences des harmoniques d’un bruit ne sont pas liées à celle de la fondamentale.



L'écho


L'écho est un phénomène physique dû à la réverbération des ondes sonores lorsque nous parlons. Pour qu'un phénomène d'écho ait lieu, il faut que les ondes sonores rencontrent un obstacle qui va les réfléchir.

   On appelle centre phonique l'endroit où le son est produit. On note d' la distance entre le centre phonique et la personne qui va entendre le phénomène d'écho, appelée observateur. On note aussi D la distance entre l'obstacle et l'observateur. La vitesse du son étant de 337 m/s, le temps t écoulé entre le moment où la première onde sonore atteindra l'observateur et le moment où l'écho commencera à se produire sera                  t =(D-d')/337, selon la formule d = v*t avec v la vitesse du son en m/s et d la distance traversée par les ondes réfléchies en mètres. 

   Si la durée du son émis est supérieur à t, le son émis et le son réfléchi vont se confondre. L'observateur ne percevra donc pas le phénomène d'écho. En revanche, si la durée du son émis est inférieur à t, l'écho sera distinct du son émis et donc clairement entendu par l'observateur.

        

     Le principe de l'écho est très utilisé en architecture et plus spécialement dans les salles de spectacle ou de théâtre. Les salles sont en effet conçues de telle manière que les ondes sonores émises par les comédiens ou les différentes personnes sur scène soient réfléchies dans toute la pièce.          



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