3.2 La propagation du son dans la matière

3.2      La propagation du son dans la matière :

 

3.2.1 Le son, une onde de compression longitudinale :

 

Avant toute chose, pour que l’onde sonore puisse se diffuser il faut d’abord qu’elle soit émise par une source sonore. Cette source sonore peut être naturelle (cordes vocales d’un individu, éboulis de pierres, tonnerre …) ou bien artificielle (haut-parleur, instrument de musique, diapason…). Afin de produire un son, l’émetteur sonore doit rentrer en vibration et alors être en mesure de générer des variations locales de pression entre diverses couches d’air. Une onde acoustique (onde se propageant dans un milieu matériel élastique) est produite, elle aura la même fréquence que la source sonore.

Ainsi, une fois émise l’onde va se propager dans l’air ou dans tous milieux déformables. On se focalisera ici principalement sur la propagation du son dans l’air.

 En effet  une onde est une perturbation dans la matière par transfert d’énergie, qui va produire une variation réversible des propriétés physiques locales. Il n’y a globalement qu’un déplacement d’énergie et en aucun cas de matière. Physiquement on le remarque par exemple en observant une bouée ; sous l’action de la houle elle oscille verticalement, ce qui traduit un apport d’énergie lui ayant permis de contrer la gravité. Bien que différente de la houle l’onde sonore vérifie également cette propriété.

On parle de cette dernière comme une onde de compression longitudinale. L’onde sonore se traduit dans les milieux, et donc dans un gaz tel que l’air, comme la propagation d’une variation locale de pression, engendrée en amont par une source sonore. Cette variation de pression se propage au travers des compressions puis des dilatations périodiques successives des couches d’air voisines de gaz qui se transmettent cette perturbation physique initiale. Ainsi entre les couches d’air les molécules respectives de celles-ci s’entrechoquent,  ce qui permet la propagation de proche en proche de la vibration. Les molécules vibrent donc faiblement autour de leur position d’équilibre.   Deux forces antagonistes sont à l’origine de ce phénomène :

     -    La force de  rappel : si une molécule bouge alors elle entraîne la molécule voisine, il y a alors une propagation  de proche en proche.                         

     -  La force d’inertie du milieu qui freine le mouvement en ramenant les molécules dans leur position initiale.

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Doc 3.2.1 : Ce document est la courbe des déplacements de l’air lors du déplacement d’une onde sonore  avec une courbe des variations locales de pression qui lui est directement associée. A cela s’ajoute un schéma de l’état de compression des molécules d’air au cours de la propagation de l’onde sonore. On remarque d’ailleurs  que lors des phases de compression périodiques les molécules sont très proches tandis que lors des phases de dilatation aussi périodiques elles le sont beaucoup moins. Ce schéma montre très concrètement la transmission de proche en proche de la perturbation entre les couches d’air. L’onde sonore est donc dite de compression et périodique.

 

         Pour aider à la compréhension de ce phénomène physique complexe ; la pression se définit à notre échelle comme les effets de l’agitation thermique des molécules d’un gaz. Plus simplement imaginons une surface sur laquelle viennent impacter les molécules ; la pression P sur cette surface S est alors une grandeur exprimée en Pascal (Pa) qui caractérise la force F (en Newton, N) exercée par ses impacts de molécules sur cette dernière. On a P = F/S (Pa).   

 

  

3.2.2 Le son, une onde progressive et tridimensionnelle :

 

Précédemment, on définissait le son comme une onde longitudinale car le son se propage dans le même sens et la même direction que l’onde. Cette onde possède également d’autres propriétés physiques ; en effet il s’agit aussi d’une onde progressive et tridimensionnelle. La propriété progressive se définit par une onde se déplaçant dans l’espace, contrairement aux ondes stationnaires restant dans un espace confiné, cette propagation se fait dans l’ensemble des directions de l’espace d’où la tridimensionnalité de l’onde. De plus, il faut savoir que plusieurs ondes mécaniques de la sorte peuvent se croiser dans l’air sans se perturber entre elles. Dans la vie quotidienne vous le remarquez d’ailleurs lorsque vous parlez à plusieurs personnes proches les unes des autres les paroles émises par chaque personne parviennent jusqu’à vos oreilles telles qu’elles ont été prononcées.

 

 

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Doc 3.2.2 : Sur ce document on remarque clairement que l’onde sonore se propage dans toutes les directions de l’espace et que le son se déplace dans le même sens et la même direction que l’onde. L’onde acoustique est donc longitudinale et tridimensionnelle.

 

Considérons maintenant l’espace sidéral : vous avez sûrement remarqué que, dans les films de science fiction tel que Star Wars,  dont le scénario met en scène des vaisseaux spatiaux futuristes, l’on entend clairement le son des moteurs. L’acoustique démontre à l’évidence que cela est en fait absolument impossible. Dans l’espace, quasiment aucun gaz n’est présent. En effet, c’est un endroit dans lequel les molécules sont fortement raréfiées : c’est le vide presque absolu. La matière, comme expliqué précédemment, est indispensable à la propagation sonore, il n’est donc pas possible d’entendre le son des machines de guerre inventées par les réalisateurs de films : il y a alors isolation phonique. La matière est en fait le support de la propagation de l’onde sonore et l’onde mécanique telle que le son peut se propager à l’unique condition qu’il y ait un support matériel. Une expérience est très souvent réalisée afin de démontrer concrètement ce phénomène plutôt impressionnant lorsqu’on y est confronté, celle de la source sonore dans la cloche à vide. 

 

3.2.3 La vitesse de propagation dans un milieu :

 

         La vitesse de propagation (ou « célérité du son » par abus de langage)  du son est différente selon les milieux traversés. La vitesse V d’une onde est indiquée par sa longueur d’onde  λ  et sa fréquence F. On a donc la relation suivante :

V = λF , or F = 1/T alors V = λ/T

         Avec  F la fréquence Hertz                                     

                   Λ longueur d’onde en mètre

                   V la vitesse en m.s-1 

                   T la période en seconde

         De plus la célérité d’une onde sonore dans l’air dépend d’autres facteurs tels que la température et la pression du milieu en question. Il existe alors une autre relation liant la vitesse de propagation  l’air avec la température de ce milieu. La voici :   V = 20√T° avec T° la température en Kelvin.

Dans l’air, le son se déplace donc à différentes vitesses selon la température :

-      à 0°C : 331 m/s

-      à 20° C : 343 m/s

-      à 350°C : 350 m/s

 

         Le paramètre principal intervenant, en fait, dans la propagation du son dans le milieu aérien est la densité de l’air. En effet,  le son se déplace plus rapidement lorsque la densité de l’air est faible. A l’inverse, si la densité augmente, la célérité du son diminue. Pour illustrer cela, on peut noter qu’en été le son se propage plus rapidement. Sous l’effet d’une température  plus importante qu’en hiver l’air se dilate ; sa densité diminue en conséquence

         La vitesse de propagation de l’onde sonore est  la plus rapide dans les solides, elle est ensuite inférieure dans les liquides puis dans les gaz. Ce savoir est   utilisé dans le bâtiment afin de déterminer la qualité du béton, en effet plus la propagation est rapide moins le béton contient de bulles d’air, il est donc de meilleur qualité.

         On peut donner quelques exemples de vitesses du son en mètre par seconde dans les trois éléments appartenant respectivement aux trois types de milieux de propagation de l’onde sonore :

Milieu solide :    -  acier : 5000 m/s

-      Bois de sapin : 6000 m/s

-      Béton : 3400 m/s

    Milieu liquide :   - l’eau : 1440 m/s

                                Milieu gazeux :   - l’air : en moyenne 340 m/s