Émission et propagation d'un son
Émission et perception d'un son
Émission et propagation d'un son
Introduction
Le son fait partie de notre quotidien : musique, parole, bruit de la circulation… Mais d'où vient un son ? Comment se propage-t-il ? Pourquoi n'entend-on rien dans l'espace ? Cette leçon répond à ces questions en étudiant les mécanismes d'émission et de propagation du son.
Émission d'un son
La vibration, source du son
Un son est produit par la vibration d'un objet appelé source sonore. Cette vibration met en mouvement les couches d'air (ou du milieu environnant) qui entourent l'objet.
Exemples de sources sonores :
- La membrane d'un haut-parleur vibre d'avant en arrière.
- Les cordes d'une guitare vibrent lorsqu'on les pince.
- Les cordes vocales vibrent lors de la phonation.
- Un diapason vibre lorsqu'on le frappe.
Mise en évidence expérimentale
On peut visualiser la vibration d'une source sonore de plusieurs façons :
- Diapason + eau : un diapason en vibration plongé dans l'eau projette des gouttelettes.
- Haut-parleur + billes de polystyrène : les billes sautent sur la membrane du haut-parleur en fonctionnement.
- Corde de guitare : on voit la corde "floue" lorsqu'elle vibre.
Dans tous les cas, arrêter la vibration revient à arrêter le son.
Propagation du son
Nécessité d'un milieu matériel
Contrairement à la lumière, le son ne se propage pas dans le vide. Il a besoin d'un milieu matériel (gaz, liquide ou solide) pour se propager.
Expérience de la cloche à vide : une sonnerie placée sous une cloche de verre émet un son audible. Lorsqu'on fait le vide dans la cloche (on retire l'air), le son disparaît progressivement, bien que la sonnerie continue de fonctionner. En laissant l'air revenir, le son réapparaît.
Cette expérience montre que l'air est nécessaire à la propagation du son.
Conséquence : dans l'espace (vide spatial), aucun son ne peut se propager. Les explosions dans les films de science-fiction sont donc silencieuses en réalité !
Mécanisme : une onde longitudinale
Le son est une onde mécanique longitudinale. Cela signifie que :
- Onde mécanique : elle a besoin d'un milieu matériel pour se propager.
- Longitudinale : les particules du milieu vibrent dans la même direction que la propagation de l'onde.
Concrètement, la source sonore crée des zones de compression (les molécules se rapprochent) et des zones de dilatation (les molécules s'éloignent) qui se propagent de proche en proche.
Analogie : imaginez une file de dominos très rapprochés. Si vous poussez le premier, l'impulsion se transmet de l'un à l'autre. Chaque domino ne se déplace que très peu, mais la perturbation, elle, parcourt toute la file.
Important : lors de la propagation du son, ce sont les vibrations qui se déplacent, pas la matière elle-même. Les molécules d'air oscillent autour de leur position d'équilibre.
Vitesse de propagation du son
Définition
La vitesse de propagation (ou célérité) du son, notée $v$, est la distance parcourue par l'onde sonore par unité de temps :
$$v = \frac{d}{t}$$
avec :
- $v$ : vitesse du son (en m/s ou m·s⁻¹)
- $d$ : distance parcourue (en m)
- $t$ : durée de propagation (en s)
Vitesse du son dans l'air
Dans l'air, à 20 °C, la vitesse du son est d'environ :
$$v_{air} \approx 340 \text{ m/s}$$
Soit environ 1 224 km/h.
Application : c'est ce qui explique le décalage entre l'éclair (lumière, quasi instantanée) et le tonnerre (son, plus lent). En comptant les secondes entre l'éclair et le tonnerre, on peut estimer la distance de l'orage :
$$d = v \times t = 340 \times t$$
Ainsi, 3 secondes d'écart correspondent à environ $340 \times 3 = 1\,020$ m, soit environ 1 km.
Influence du milieu sur la vitesse
La vitesse du son dépend du milieu dans lequel il se propage. En général :
$$v_{gaz} < v_{liquide} < v_{solide}$$
| Milieu | Vitesse du son (m/s) |
|---|---|
| Air (20 °C) | ≈ 340 |
| Hélium (20 °C) | ≈ 1 007 |
| Eau (25 °C) | ≈ 1 500 |
| Eau de mer (25 °C) | ≈ 1 530 |
| Bois (chêne) | ≈ 3 800 |
| Béton | ≈ 3 100 |
| Acier | ≈ 5 900 |
| Verre | ≈ 5 300 |
Explication : plus le milieu est dense et rigide, plus les interactions entre particules sont fortes, et plus la vibration se transmet rapidement.
Influence de la température
Dans un gaz, la vitesse du son augmente avec la température. Par exemple, dans l'air :
| Température | Vitesse du son dans l'air |
|---|---|
| 0 °C | ≈ 331 m/s |
| 15 °C | ≈ 340 m/s |
| 20 °C | ≈ 343 m/s |
| 30 °C | ≈ 349 m/s |
Exercices d'application
Exercice 1
Un élève voit un éclair et entend le tonnerre 4 secondes plus tard. À quelle distance se trouve l'orage ?
Méthode : $d = v \times t = 340 \times 4 = 1\,360$ m ≈ 1,4 km.
Exercice 2
Un plongeur frappe deux pierres l'une contre l'autre sous l'eau. Son partenaire, situé à 600 m, perçoit le son. Quel est le temps mis par le son pour parcourir cette distance dans l'eau ?
Méthode : $$v_{air} \approx 340 \text{ m/s}$$0 s.
Exercice 3
Un son se propage dans une barre d'acier longue de 2 950 m. Combien de temps met-il pour parcourir cette distance ?
Méthode : $$v_{air} \approx 340 \text{ m/s}$$1 s.
L'essentiel
- Un son est produit par la vibration d'une source sonore.
- Le son est une onde mécanique longitudinale : il nécessite un milieu matériel pour se propager.
- Le son ne se propage pas dans le vide.
- La vitesse du son dans l'air à 20 °C est d'environ 340 m/s.
- La relation fondamentale est : $$v_{air} \approx 340 \text{ m/s}$$2.
- La vitesse du son est plus grande dans les solides que dans les liquides, et plus grande dans les liquides que dans les gaz.
- La vitesse du son dans un gaz augmente avec la température.