A. Qu'est ce qu'un son ?

Dans un dictionnaire courant, la définition du son est la suivante : le son est produit par la vibration d’un objet appelé source sonore qui provoque l’oscillation des particules d’air situées à son voisinage. Dans le dictionnaire de physique, le son est une onde mécanique correspondant à la propagation de déformations et de contraintes dans un milieu élastique ou viscoélastique. Nous partirons donc de l’onde sonore pour expliquer le front d’onde, sa période, sa fréquence, son intensité, sa durée, la notion d’impédance puis nous nous intéresserons à la propagation du son, à sa vitesse ou célérité et à l’aspect des signaux sonores. 

L’onde sonore 
Une onde sonore est une vibration des molécules autour de leur position d’équilibre (ou état de repos) qui se propage à la suite de la perturbation du milieu, le plus souvent l’air, mais qui peut aussi être solide ou liquide. C’est la vibration qui crée le son. L’onde sonore provoque une compression ou une dépression des entités chimiques qui l’entourent et qui se propagent de proche en proche autour de la source dans toutes les directions telle une goutte d’eau qui tombe sur l’eau créant une onde à la surface du liquide.

Sans matière, il n’y a pas de possibilité de propagation de l’onde sonore comme l’expérience de Robert Boyle l’a montré en 1666. Cette expérience prouve que le son ne se propage pas dans une cloche de verre dont on a vidé l’air. Dans l’air, l’onde sonore se déplace dans l’espace et non pas dans un plan comme la goutte d’eau. 

Le front d’onde 
Le front d’onde représente l’ensemble des points vibrants en même temps, dans le cas de la propagation du son, il est sphérique. 

La période 
C’est le temps qui sépare deux fronts d’onde, la période définit la hauteur d’un son. 

La fréquence 
Les physiciens ont pu relier la hauteur du son à sa fréquence de vibration. La vitesse de vibration est mesurée par le nombre d’allers et retours que fait la membrane d’un haut-parleur par seconde, qu’il nomme la fréquence. Cette dernière correspond au nombre de vibrations par seconde : s’il y en a peu, on entend un son grave, s’il y en a davantage on entend un son aigu. Elle est mesurée en un nombre par seconde appelé Hertz. Un Hertz correspond à une vibration par seconde. Un kilohertz(KHz) correspond à 1000 vibrations par seconde.

L’intensité 
Elle dépend de l’amplitude de la vibration : plus elle est importante plus le son est fort, plus elle est faible, plus le son est faible. On l’exprime couramment en décibels (dB).

La durée 
Elle dépend du temps pendant lequel le milieu est perturbé. L’unité utilisée est la seconde (s).

L’impédance 
Une onde sonore peut éprouver des difficultés à passer d’un milieu à un autre car chaque milieu impose une résistance plus ou moins importante appelée impédance. Ainsi une onde qui se propage dans l’air aura du mal à être perçue dans l’eau car celle-ci a une forte impédance. Par exemple à quelques mètres de la plage, si vous avez la tête sous l’eau, vous entendrez moins quelqu’un qui vous appelle du bord de l’eau que le moteur d’un bateau à cent mètres de vous. 

La propagation du son
Elle est caractérisée par sa vitesse. Dans l’air, elle est de 340m/s environ mais elle varie proportionnellement à la température et à la pression. La propagation du son n’est cependant pas infinie, plus la source est lointaine, plus l’intensité s’affaiblit. 

La célérité du son
Elle augmente donc avec la température et la pression. Mais elle dépend aussi de la nature du milieu : 
• Au plus le milieu dans lequel les ondes sonores se propagent est dense, au plus la vitesse des fronts d’onde est élevée. En effet dans les solides, les molécules sont ordonnées et très proches, ce qui permet à la vitesse de l’onde d’être très rapide (5 000m/s dans l’acier et le verre, 3 500m/s dans l’os). La propagation dans l’eau (1 400m/s)est intermédiaire entre l’air et les solides. 
• Au plus le milieu dans lequel se propage l’onde est chaud, au plus l’onde se propage vite, à condition que le milieu ne change pas d’état. Cette propriété s’applique aux salles de concert : la température de l’air augmente au dessus des spectateurs, le son a donc tendance à se diriger vers le plafond plutôt que vers le fond. La construction des salles tient compte de ce phénomène.
• Il faut tenir compte aussi de la réflexion du son quand l’onde sonore percute une paroi qui se transforme à son tour en source sonore. Les réflexions successives constituent la réverbération. Dans l’air, tous les sons se propagent à la même vitesse, cependant la célérité du son peut ne pas être constante en raison des phénomènes de réflexion qui modifient la vitesse des fronts d’onde.

L’aspect des signaux sonores
Chaque son correspond à une vibration de forme différente.

L’aspect des signaux permet de différencier une musique d’un bruit. En général les tracés d’onde sonores sont irréguliers pour le bruit et réguliers pour la musique, l’onde est dite périodique.

Les vibrations sonores propagées dans l’air ou dans l’eau stimulent notre ouïe. Cette stimulation est le début du phénomène biologique qui nous permet d’entendre les sons.