Qu'est-ce qu'un son? Comment se propage-t-il ? |
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Comment un son se crée-t-il ? Un son est créé par une vibration. Cela peut être aussi bien celle d'une corde de violon, de la membrane d’un haut parleur, de cymbales… Chez l'homme, le son est produit à l'aide des cordes vocales. En effet, lors de la respiration, les cordes vocales sont détendues et l'air passe normalement. Mais lorsque l'on veut émettre un son, elles se contractent et resserrent la gorge ce qui crée une vibration au moment où l'air passe. Plus les cordes sont contractées, plus le son est aigu. |
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La vibration crée une compression ou une dépression des entités chimiques l'entourant, qui se déplace de proche en proche. Elle crée ainsi des ondes sonores qui se propagent ensuite autour de la source, dans toutes les directions. Il n'y a donc aucun déplacement de matière. Celle-ci est pourtant indispensable, en effet, sans matière, il n'y a plus de possibilité de vibration et donc de propagation. Le rôle de la matière fut mis en évidence par l'expérience de Robert Boyle en 1666 consistant à émettre un bruit dans une cloche de verre dont on a vidé l'air. Nous avons nous-même refait l'expérience (voir les résultats ). Il y a plusieurs sortes d'ondes : les ondes transversales et les ondes longitudinales. Lors du passage d'une onde transversale, l'oscillation se fait perpendiculairement à la vibration de départ, on peut prendre comme exemple la vibration d'une corde ou les vagues sur l'eau (voir photo). Mais pour que de telles ondes se propagent, il faut un milieu assez rigide, ce qui n'est pas le cas de l'air. Les molécules de gaz vibrent obligatoirement dans la même direction que celle de propagation de l’onde (voir animation). Ce sont alors des ondes longitudinales que l'on retrouve aussi lors des séismes (ondes P). |
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Ondes sur l'eau |
| Front d'onde Un front d’onde représente une surface virtuelle constituée de l’ensemble des points vibrant en concordance de phase, c’est à dire que ces points vibrent de manière synchrone. Ceci peut être mis en évidence en laissant tomber un objet dans un liquide (voir photographie) : on observe des rides concentriques centrées sur le point d’impact et qui s’agrandissent progressivement. Tous les points placés sur un même cercle montent et descendent en même temps. On en déduit que les fronts d’ondes sont des cercles dont le centre est le point d’impact. Dans le cas d’un son dans l’air, le phénomène est comparable. La différence réside dans le fait que l’onde se propage dans l’espace et non dans un plan. Ainsi, les fronts d’ondes ne sont plus des cercles mais des sphères. On appelle le temps séparant deux fronts d'ondes, la période, c'est elle qui définit la hauteur d'un son. L'amplitude de la déformation définit, elle, son intensité. Plus le diamètre d’une sphère est grand, plus la courbure apparente est faible à sa surface. C’est notamment le cas de la Terre, que l’on considère comme étant plate sur de faibles distances. Ce raisonnement est applicable à une onde sonore : plus la source est éloignée, plus le rayon des fronts d’ondes est important. Ainsi, leur courbure devient de plus en plus faible. Si la distance est suffisamment grande, les fronts d’ondes peuvent être considérés comme plans localement : l’onde est dite alors plane. En pratique, cette distance minimale se situe aux alentours de 2.50 mètres de la source. En revanche, lorsque cette dernière est proche, la courbure du front d’onde est importante, on dit que l’onde est sphérique.
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Dans l'air, la vitesse du son est de 340 m/s, mais elle varie en fonction de la température et de la pression. (voir Célérité du son ). Mais le son ne se propage pas indéfiniment, plus l'onde est lointaine, plus l'intensité est faible. Nous avons fait une expérience utilisant les ultrasons pour vérifier cette propriété (voir schémas). De plus, Le son ne se propage pas seulement en ligne droite à partir de la source. Il est capable de se réfléchir (voir schémas) et de dépasser des obstacles. Si une onde percute une paroi elle est en effet capable de se transformer à son tour en source sonore. |
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| Célérité du son Définition La célérité d’une onde sonore dans un milieu désigne la vitesse de propagation de ses fronts d’onde. On la note c. Dans l’air et dans les conditions normales de température et de pression (273,15 K et 1,013*10^5 Pa), c = 330 m.s-1. Influence de la nature du milieu La densité du milieu dans lequel se propagent les ondes sonores joue un rôle très important sur la célérité de ces dernières. Ainsi, la vitesse des fronts d’onde est nettement plus élevée dans les solides que dans les gaz. Ceci s’explique par le fait que dans les gaz, les molécules sont très dispersées, donc les mouvements se propagent plus lentement entre elles que dans les solides, où elles sont ordonnées et très proches les unes des autres. Les liquides constituent un état intermédiaire, les molécules y étant plus libres que dans les solides mais moins dispersées que dans les gaz. Comme exemples de vitesses de propagation, on peut notamment citer 1400 m.s-1 dans l’eau environ, et plus de 5000 m.s-1 dans l’acier ou le verre. La célérité a la propriété d’augmenter avec la température du milieu. Si T désigne la température du milieu, la célérité des ondes sonores dans ce milieu est approximativement égale a vingt fois la racine carrée de la température. c » 20ÖT
On comprend aisément cette influence de la température sur la vitesse des ondes sonores. En effet, plus un corps a une température élevée, plus l’agitation des molécules le composant est importante donc plus la transmission de mouvements entre elles est favorisée. Attention : ceci n’est valable que si le corps ne change pas d’état. Autres influences du milieu sur la célérité Dans l’air, tous les sons se propagent à la même vitesse : la célérité ne dépend pas de la fréquence ni du niveau sonore. L’air est un milieu non dispersif. Cependant, dans certains cas, la célérité du son peut ne pas être constante et l’onde sonore subit un changement de direction : on dit qu’elle a été réfractée. Dans le cas de la réfraction, tous les points d’un même front d’onde ne sont pas animés d’une vitesse identique. |
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| Ainsi, si le point B se déplace plus rapidement que le point A, la trajectoire du front d’onde sera incurvée du côté du point A .
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Effet Doppler: Pourquoi le son n'a - t - il pas toujours la même fréquence, lorsque la source bouge? Lorsque l'on entend passer une voiture ou un train, le son est d'abord aigu puis tourne petit à petit au grave, alors que le moteur n'a pas changé. On peut se demander pourquoi. Cela s'explique car la source sonore est en mouvement. Les ondes sont créées très proches les unes des autres devant le véhicule, formant un front compact et un son aigu (longueur d'onde courte), les ondes plus éloignées de la voiture sont plus espacées, le son est plus grave (longueur d'onde plus longue). voir schémas
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| Aérodynamique
et mur du son Qu'appelle-t-on le nombre de Mach ? Le nombre de Mach ( du nom d'Ernst Mach, un savant autrichien ) est le rapport de la vitesse d'un corps sur la vitesse du son, dans les mêmes conditions de température et de pression. Il sert surtout en aérodynamique, car il est intéressant de comparer la vitesse des avions à celle du son. Mach 1 correspond donc à une vitesse exactement égale à la vitesse du son. C'est à Mach 1 qu'apparaît le mur du son. Cependant, on considère qu'un avion a une vitesse supersonique, c'est-à-dire supérieure à celle du son, à partir de Mach 1, 2. Mach 0, 8 correspond à une vitesse subsonique ( inférieur à celle du son ). Entre 0, 8 et 1, 2, on parle de vitesse transsonique. Le nombre de Mach n'a pas d'unité, car on divise une vitesse par une vitesse. Comment se manifeste le mur du son ? A vitesse subsonique, les
perturbations de pression provoquées par l'avion ont le temps de se dissiper avant que ne
s'en créent de nouvelles. L'air s'écoule normalement et les fronts d'onde ne se
rencontrent pas. |
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