La propagation du son
Le dictionnaire de physique propose comme définition du son: « Onde mécanique correspondant à la propagation de déformations et de contraintes dans un milieu élastique [...]. »
Pour comprendre cette définition, abordons d'abord la définition de la propagation du son ou, plus simplement, du déplacement d'une onde sonore dans son milieu. Il s'agit cependant plus précisément du déplacement d'une perturbation dans un milieu, duquel les molécules sont poussées de façon périodique, un transfert d'énergie se déroulant au niveau moléculaire.
Le livre Le son et l'audition (voir références à "S") propose une situation qui explique bien ce fait : "Imaginez [que vous êtes dans une boîte de nuit bondée et] qu'un serveur passant sur le bord de la piste de danse pousse la foule et oblige les danseurs qui sont près de lui à lui laisser le passage. Ces danseurs au cours de leur retraite se heurtent aux couples qui les entourent, ceux-ci à leur tour poussent les gens qui sont derrière eux, etc. : une réaction en chaîne est déclenchée. La bousculade progresse à travers la piste sous forme d'une vague de pression qui part du serveur, traverse les danseurs et se dirige vers le côté opposé de la piste de danse. Après un instant les danseurs reviennent pour réoccuper la place qu'ils occupaient précédemment, mais ce n'est que pour être bousculés à nouveau chaque fois que le serveur longera la piste." |
Pour rapprocher cette situation à celle de la propagation du son, il suffit de remplacer la boîte de nuit par le milieu dans lequel le son se propage, le serveur par une source sonore et les danseurs par les molécules du milieu.
Quand elles sont mises en mouvement par la vibration d'une source sonore, les molécules d'un milieu subissent ce que l'on appelle des compressions et des raréfactions qui correspondent au rapprochement de deux molécules et à leur éloignement. L’éloignement de molécules est causé par une force de rappel qui résulte d'un choc entre deux molécules et le rapprochement est causé par la force d'inertie du milieu qui va "freiner" le mouvement des molécules et les faire revenir à leur place d'origine. L'onde de pression créée par ce mouvement périodique est appelée "Son". Un son n'est donc pas un déplacement de matière mais un déplacement d'énergie.
Quand elles sont mises en mouvement par la vibration d'une source sonore, les molécules d'un milieu subissent ce que l'on appelle des compressions et des raréfactions qui correspondent au rapprochement de deux molécules et à leur éloignement. L’éloignement de molécules est causé par une force de rappel qui résulte d'un choc entre deux molécules et le rapprochement est causé par la force d'inertie du milieu qui va "freiner" le mouvement des molécules et les faire revenir à leur place d'origine. L'onde de pression créée par ce mouvement périodique est appelée "Son". Un son n'est donc pas un déplacement de matière mais un déplacement d'énergie.
Une bouée dans l'eau agitée n'avance pas sous l'effet des vagues, elle monte et elle descend. Ce n'est donc pas l'eau qui se déplace horizontalement mais seulement la perturbation qui agite l'eau. Image provenant de cette source
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Les milieux de propagation
La propagation du son se fait à l'intérieur d'un milieu qui sert de support matériel à l'onde sonore. Le son et sa propagation sont donc directement dépendants du milieu de propagation. Il existe autant de milieux possibles que de matériaux pour les composer. On distingue les milieux aqueux, solides et gazeux. Ces différents milieux, de par leurs propriétés physiques, influencent grandement la vitesse de propagation du son mais aussi son timbre et son intensité (voir les caractéristiques physiques du son).
Les facteurs du milieu qui influencent la vitesse de propagation sont:
1. la densité: plus le milieu est dense plus la vitesse de propagation de l'onde, sonore ou non sera grande. Chaque matériau ayant une densité unique, le matériau influence également, par extension, la vitesse de propagation du son (voir tableau en bas de page).
Les facteurs du milieu qui influencent la vitesse de propagation sont:
1. la densité: plus le milieu est dense plus la vitesse de propagation de l'onde, sonore ou non sera grande. Chaque matériau ayant une densité unique, le matériau influence également, par extension, la vitesse de propagation du son (voir tableau en bas de page).
Il était courant au début du 20ième siècle, pour entendre l'arrivée de trains, de coller son oreille contre les rails. Les rails en métal étant plus denses que l'air, les ondes sonores produites par le train s'y déplacent plus rapidement et on pouvait ainsi prévoir l'arrivée du train bien avant qu'il soit entendu à travers l'air. Ce fait a été exploité de plusieurs manières au fil de l'histoire, que ce soit de façon pratique par les résistants Français lors de la seconde guerre mondiale ou de façon humoristique par des artistes comme Morris et Goscinny: |
2. la température: plus un milieu est chaud, plus la vitesse de propagation du son sera grande. Le physicien Victor Regnault mesura à la fin du 19ième siècle une accélération de la vitesse de propagation de 0.6 m/s/°C dans les égouts de Paris.
Le tableau ci-dessous montre la vitesse de propagation du son dans différents milieux. Le milieu ayant la vitesse de propagation la plus élevée dans cet exemple est le diamant, qui le matériau naturel le plus dense connu. On voit aussi que la vitesse de propagation de l'air sec (la présence d'humidité fausserait la mesure car l'ajout de molécules d'H2O changerait la vitesse de propagation) à 20°C est supérieur de 16 m/s à celle de l'air sec à 0°C soit une différence de 0.8m/s/°C (cela est relativement proche des résultats obtenus par Regnault).
Le tableau ci-dessous montre la vitesse de propagation du son dans différents milieux. Le milieu ayant la vitesse de propagation la plus élevée dans cet exemple est le diamant, qui le matériau naturel le plus dense connu. On voit aussi que la vitesse de propagation de l'air sec (la présence d'humidité fausserait la mesure car l'ajout de molécules d'H2O changerait la vitesse de propagation) à 20°C est supérieur de 16 m/s à celle de l'air sec à 0°C soit une différence de 0.8m/s/°C (cela est relativement proche des résultats obtenus par Regnault).
Ce qui se passe au niveau moléculaire lors de la propagation du son est l’élément clef pour la réussite de ce TPE. Tout milieu oscille quand il est traversé par une onde, cette oscillation pourrait, dans des conditions optimales, mener à des ruptures au niveau moléculaire et donc à la destruction d'un verre. Cette hypothèse est continuée dans la sous partie: la résonance.
Les effet du milieu sur les autres propriétés des ondes sonores: (pour comprendre voir les caractéristiques physiques du son)
Le milieu influence également le timbre et l'intensité du son. La seule caractéristique du son qui reste inchangée pendant les changements de milieu est la hauteur du son c'est à dire sa fréquence. Si on observait le spectre de fréquences d'une onde sonore, on pourrait dire que c'est l'amplitude des harmoniques et de la fondamentale qui changent, ainsi que l'amplitude globale qui correspond à l'intensité du son. Il n'y a que la position des harmonique qui ne changera pas.
L'intensité du son est également influencée d'une autre façon par la présence de résistances dans le milieu, notamment sa force d'inertie: elle diminue lors de la propagation du son propagation en fonction de la distance que le son parcourt. Plus la source est éloignée, plus le son aura perdu de l'intensité une fois arrivé jusqu'à nous.
Les effet du milieu sur les autres propriétés des ondes sonores: (pour comprendre voir les caractéristiques physiques du son)
Le milieu influence également le timbre et l'intensité du son. La seule caractéristique du son qui reste inchangée pendant les changements de milieu est la hauteur du son c'est à dire sa fréquence. Si on observait le spectre de fréquences d'une onde sonore, on pourrait dire que c'est l'amplitude des harmoniques et de la fondamentale qui changent, ainsi que l'amplitude globale qui correspond à l'intensité du son. Il n'y a que la position des harmonique qui ne changera pas.
L'intensité du son est également influencée d'une autre façon par la présence de résistances dans le milieu, notamment sa force d'inertie: elle diminue lors de la propagation du son propagation en fonction de la distance que le son parcourt. Plus la source est éloignée, plus le son aura perdu de l'intensité une fois arrivé jusqu'à nous.