Son (physique) - Définition

Introduction

Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance.

La science qui étudie les sons s'appelle l'acoustique. La psychoacoustique combine l'acoustique avec la physiologie et la psychologie, pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.

Propagation du son

Dans un milieu compressible, le plus souvent dans l'air, le son se propage sous forme d'une variation de pression créée par la source sonore. Un haut-parleur, par exemple, utilise ce mécanisme. Seule la compression se déplace et non les molécules d'air, si ce n'est de quelques micromètres. Lorsque l'on observe des ronds dans l'eau, les vagues se déplacent mais l'eau reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et non suivre les vagues (un bouchon placé sur l'eau reste à la même position sans se déplacer). Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations des atomes appelées phonons. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre.

La vitesse de propagation du son (Par abus de langage,on parle également de la Célérité, cette dernière étant définie pour des ondes électromagnétiques) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un gaz parfait, la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. Dans un gaz parfait la célérité est donnée par la relation :

où est la masse volumique du gaz et sa compressibilité adiabatique.

On voit donc que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d'inertie) et lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente. Quand il s'agit de l'atmosphère, il convient de connaitre en plus la structure thermique de la masse d'air traversée ainsi que la direction du vent car :

• le son se propage moins bien à l'horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. (Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l'antiquité)
• l'atténuation est nettement moins forte sous le vent. (Tant que son régime au sol n'est pas trop turbulent)
• le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, suite au refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un train à 5 km d'une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l'inversion en effet guide d'onde.

Les ondes sonores se déplacent à environ 344 m/s dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre toutes les trois secondes, ce qui est utile pour mesurer grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage (la vitesse de la lumière rendant sa perception quasi instantanée). Dans des milieux solides (non gazeux) le son peut se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l'eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l'acier de 5050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide, car il n'y a pas de matière pour supporter les ondes produites (isolation phonique), le son se propageant grâce aux déplacements des molécules d'air. C'est une onde dite longitudinale, car les points matériels se déplacent dans le même sens que le déplacement de l'onde (l'autre type étant les ondes transversales).