Les ondes sonores

1. Qu’est-ce qu’une onde sonore ?
2. Les différentes sortes d’ondes sonores
3. Onde sonores audibles
4. Infrasons
5. Ultrasons
6. Propagation
7. Célérité
8. Célérité dans différentes substances
9. Célérité du son dans l’air à différentes températures
10. Production d’une onde sonore
11. Son pur et son complexe
12. Transmission, réflexion, absorption d’une onde sonore

Qu’est-ce qu’une onde sonore ?

Définition: Il s’agit d’une onde mécanique périodique propageant une surpression (une pression supérieur à la pression « normale ») dans un milieu milieu matériel (un gaz, un liquide ou un solide)

Une couche de matière en surpression est comprimée, ce qui s’accompagne d’une diminution de son volume (cette diminution est cependant plus importante pour un gaz que pour un solide ou un liquide). En se détendant et en retrouvant sa pression ainsi que son volume initial, la couche de matière comprime sa voisine qui elle-même se détend et transmet la surpression à sa voisine et ainsi de suite, c’est ce mécanisme qui permet à l’onde sonore de se propager.

Les différentes sortes d’ondes sonores

Suivant leur fréquence les les onde sonores peuvent être classées en trois catégories: audibles, infrasons et ultrasons

Onde sonores audibles

Par définition elles correspondent aux sons que le système auditif humain peut détecter, ce sont les ondes dont la fréquence est comprise dans un intervalle allant de 20 Hz à 20 kHz.

Ces bornes (20 Hz et 20 kHz) ne sont que des valeurs de références car chaque personne possède des capacités auditives qui lui sont propres et qui ont tendance à changer avec l’âge. Les hautes fréquences (proches de 20 kHz) sont souvent mieux perçue par les jeunes que par les adultes.
Par ailleurs la fréquence d’une onde sonore est liée à la « hauteur » du son perçu:

• il semble d’autant plus grave que la fréquence est faible
• il semble d’autant plus aigü que la fréquence est élevée

Les notes de chaque gamme sont associées à une valeur de fréquence qui leur est propre.

La voix humaine produit des sons dont la fréquence est environ comprise entre 100 et 500 Hz mais une voix chantée permet d’aller au-delà de ces valeurs: une voix de basse peut atteindre des fréquence de l’ordre de 70 Hz tandis qu’un soprano peut dépasser les 1000 Hz

Remarques

• Les sons audibles ont une période comprise entre 5,0.10^-5 s et 5,0.10^-2 s.
• Les sons audibles ont dans l’air, à une température de 20°C et et sous une pression d’une atmosphère, une longueur d’onde comprise entre 17 cm et 17 m.

Infrasons

Définition: les infrasons sont des onde sonore ayant une fréquence trop faible pour être détectée par le système auditif humain.

Par conséquence on considère que les infrasons sont des sons inaudibles dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.

Il existe des animaux comme les baleine, les girafes ou encore les éléphants qui son capable d’entendre une partie des infrasons.

Remarque
Les infrasons sont par conséquent aussi caractérisés par:

• une période supérieure à 5,0.10^-2 s
• une longueur d’onde dans l’air (avec T=20°C et P =1 atm) supérieure à 17 mètres

Ultrasons

Définition: les ultrasons sont des ondes sonores ayant une fréquence trop élevée pour le système auditif humain puisse les détecter.

Les ultrason sont donc des sons inaudibles dont la fréquence est supérieure à 20 kHz

Certaines espèce peuvent percevoir une partie des ultrason, comme les chiens, les chats ou les dauphins.

Remarque

Les ultrason se distinguent donc aussi par:

• une période inférieure à 5,0.10^–5 s
• une longueur d’onde dans l’air (avec T=20°C et P =1 atm) inférieure à 17 centimètres

Propagation

Par définition une onde sonore ne peut se propager que dans un milieu matériel puisque la pression est une grandeur physique liée à la matière. Le son ne peut donc pas exister dans le vide (Les films de science fiction qui accompagnent les explosions spatiales de détonations vous mentent !)

Célérité

La célérité d’une onde sonore dépend du milieu dans lequel elle se propage, d’une manière générale elle est d’autant plus grande que la compressibilité du milieu est faible et que sa densité est élevé.

L’état gazeux est le moins dense et plus compressible par conséquent la célérité des ondes sonores y est plus faible que dans les solides et les liquide

L’état solide est en général plus dense et moins élastique que l’état liquide par conséquent la propagation y est plus rapide.

Globalement, on peut retenir pour les sons: c_gaz < c_liquide < c_solide

Dans l’air, à température ambiante (20°C) et sous pression atmosphérique la vitesse de propagation du son est d’environ:

340 m/s soit environ 1220 km/h

La densité d’un gaz est étroitement liée à la pression et la température par conséquent la vitesse de propagation dépend de ces paramètres:

• Dans un gaz comprimé, où la pression ainsi que la densité sont plus élevées, la célérité est aussi plus élevée.
• Inversement dans un gaz ayant subit une détente, la densité est plus faible tout comme la célérité.
• Lorsque la température d’un gaz augment sa densité diminue donc la célérité du son diminue aussi.
• Lorsque la température d’un gaz diminue la densité augmente et la célérité augmente.
• Puisque la pression atmosphérique décroit avec l’altitude alors la célérité du son dans l’air décroit également avec l’altitude.

Remarque

La longueur d’onde dépend de la célérité (comme le montre la relation λ = c/f) par conséquent tout paramètre affectant la célérité modifie aussi la longueur d’onde. Par conséquent la longueur d’onde d’une onde de fréquence donnée dans l’air dépend de la pression atmosphérique, de la température et de l’altitude.

Célérité dans différentes substances

Substance	Célérité du son (en m/s)
Plomb	1200
Eau liquide	1480
Béton	3100
Glace	3200
Titane	4950
Verre	5300
Acier	5600 à 5900

Célérité du son dans l’air à différentes températures

Sous une pression atmosphérique de 1 atm (101325 Pa)

Température (°C)	Célérité du son (en m/s)
-25	315,77
-20	318,94
-15	322,07
-10	325,18
-5	328;25
0	331,30
5	334,32
10	337,31
15	340,25
20	343,21
25	346,13
30	349,02
35	351,88

Production d’une onde sonore

Une onde sonore ne peut être obtenue qu’à partir d’une source mécanique vibrante produisant périodiquement des surpressions, il peut s’agir:

• de cordes vocales
• de cordes de guitare
• de la membrane d’un haut parleur ou d’un écouteur
• de toute surface capable de vibrer sous l’effet d’un choc (table, sol, tambour, xylophone…)

Les caractéristiques de l’onde sonore produites dépendent de celles de la source:

• la fréquence est la même que la fréquence de vibration de la source
• l’amplitudes des surpressions (et donc l’intensité sonore) dépend de l’amplitude des vibrations de la source.

Remarque

Dans le cas de cordes, la fréquence de vibration est directement liée la longueur de la corde.

Son pur et son complexe

Tout comme une lumière peut être polychromatique et être constituée d’ondes électromagnétiques de différentes fréquences, un son peut aussi être constitué d’ondes sonores de différentes fréquences dans ce cas on dit qu’il est « complexe ». Un son constitué d’ondes sonore de même fréquence est quant à lui dit « pur ».

Transmission, réflexion, absorption d’une onde sonore

Tout comme la lumière, lorsqu’une une sonore atteint la surface de séparation de deux milieux matériels elle peut subir:

• une transmission c’est à dire qu’elle continue à se propager dans le deuxième milieu
• un réflexion, elle est alors renvoyé dans le milieu d’où elle vient
• une absorption, le deuxième milieu peut l’absorber et la convertir en une autre forme d’énergie

En pratique les trois phénomènes coexistent souvent, une partie de l’onde est transmise, une partie est réfléchie tandis que la dernière partie est absorbée.

Remarque

il existe un quatrième phénomène possible qui est la diffraction de l’onde (vu en terminale S)