Émission et perception d'un son

Production et propagation d'un son

Avant de mesurer un son, il faut comprendre d'où il vient et comment il nous parvient. Tout son commence par un objet qui bouge très vite d'avant en arrière, et finit par mettre en mouvement l'air jusqu'à ton oreille. Cette idée toute simple — une source qui vibre — est le point de départ de toute l'acoustique.

Une source qui ne vibre pas n'émet aucun son. Touche du doigt la peau d'un tambour qui résonne : tu sens le tremblement, et au moment où tu l'immobilises, le son s'arrête net.

Exemple 1. La corde du guembri du maâlem vibre quand il la pince ; la peau tendue d'un tambour gnaoua vibre quand on la frappe ; les lames métalliques des qraqeb vibrent en s'entrechoquant. Chaque fois, une vibration mécanique est à l'origine du son.

Exemple 2. Quand Yasmine parle, ce sont ses cordes vocales qui vibrent dans sa gorge. Un haut-parleur de sono émet un son parce que sa membrane vibre d'avant en arrière, poussée par un courant électrique.

Le son a besoin d'un milieu matériel

La vibration de la source pousse les molécules d'air tout contre elle ; celles-ci bousculent leurs voisines, qui bousculent les leurs, et ainsi de suite. C'est une transmission de proche en proche : aucune molécule ne fait tout le trajet, mais la perturbation, elle, avance. Cela exige donc qu'il y ait de la matière à bousculer.

C'est une différence majeure avec la lumière, qui, elle, traverse le vide (c'est pourquoi tu vois le Soleil mais n'entends pas son rugissement). Dans l'espace, aucun son ne voyage.

Exemple 1. Si l'on place une sonnerie sous une cloche de verre et que l'on pompe l'air pour faire le vide, on continue à voir le marteau frapper, mais on n'entend plus rien : sans air, pas de son.

Exemple 2. Le son voyage aussi dans l'eau (les nageurs entendent sous la surface) et dans les solides. Karim colle l'oreille au mur de la médina et perçoit les pas dans la pièce voisine : le mur a transmis la vibration mieux que l'air.

La vitesse du son

L'onde sonore ne parvient pas instantanément à l'oreille : elle met un certain temps à parcourir la distance qui sépare la source de l'auditeur. Cette idée se chiffre par la vitesse de propagation.

Cette vitesse dépend du milieu : environ $340\text{ m/s}$ dans l'air, mais près de $1500\text{ m/s}$ dans l'eau et plus de $5000\text{ m/s}$ dans l'acier. Plus le milieu est « rigide », plus le son y file vite.

Exemple 1. Un coup de canon est tiré au port d'Essaouira. Yasmine, à $680\text{ m}$, perçoit le bruit avec un retard $\mathrm{\Delta }t={\displaystyle \frac{d}{v}}={\displaystyle \frac{680}{340}}=\mathrm{2,0}\text{ s}\mathrm{.}$ Le son met deux secondes à lui parvenir, alors qu'elle a vu l'éclair quasi instantanément.

Exemple 2. Pendant un orage, Amine compte $3\text{ s}$ entre l'éclair et le tonnerre. La distance de la foudre est $d=v\times \mathrm{\Delta }t=340\times 3=1020\text{ m},$ soit un peu plus d'un kilomètre. La règle populaire « trois secondes ≈ un kilomètre » vient directement de là.

Le piège du « le son est instantané »

Comme la lumière nous parvient pratiquement sans délai, on croit à tort que le son aussi. Mais $340\text{ m/s}$, c'est un million de fois plus lent que la lumière. Sur de courtes distances le retard est imperceptible ; dès quelques centaines de mètres, il devient mesurable — c'est précisément ce décalage qui te permet de calculer une distance par l'écho ou par l'orage. Ne suppose jamais que le son arrive « en même temps » qu'il est émis : il met toujours un temps $\mathrm{\Delta }t={\displaystyle \frac{d}{v}}$.

Période et fréquence d'un son

On sait maintenant qu'un son naît d'une vibration. Mais toutes les vibrations ne se ressemblent pas : certaines se répètent à l'identique, encore et encore. Pour décrire un son musical, on enregistre la pression de l'air au cours du temps et l'on obtient un signal — une courbe qui monte et descend. Le caractère décisif de ce signal est qu'il se répète.

Un son musical correspond à un signal périodique ; un bruit (le claquement d'une porte, le vacarme d'une foule) correspond à un signal non périodique, sans motif qui se répète.

Exemple 1. Sur l'enregistrement de la corde du guembri, Yasmine repère que le motif se reproduit toutes les $4\text{ ms}$. La période est donc $T=4\text{ ms}=4\times {10}^{-3}\text{ s}=\mathrm{0,004}\text{ s}$.

Exemple 2. Le « la » de référence des accordeurs a une période d'environ $T=\mathrm{2,27}\text{ ms}$. Le motif de pression se répète plus de quatre cents fois par seconde.

La fréquence

Plutôt que de dire « le motif dure $\mathrm{0,004}\text{ s}$», on préfère souvent compter combien de fois il se répète chaque seconde. C'est la fréquence, l'inverse de la période.

Période et fréquence sont deux façons de dire la même chose : l'une compte le temps d'un motif, l'autre compte les motifs par seconde. Connaître l'une donne immédiatement l'autre.

Exemple 1. Pour la corde du guembri de période $T=\mathrm{0,004}\text{ s}$ : $f={\displaystyle \frac{1}{T}}={\displaystyle \frac{1}{\mathrm{0,004}}}=250\text{ Hz}\mathrm{.}$ La corde vibre $250$ fois par seconde.

Exemple 2. Inversement, si un accordeur indique $f=440\text{ Hz}$ pour le « la », la période vaut $T={\displaystyle \frac{1}{f}}={\displaystyle \frac{1}{440}}\approx \mathrm{2,27}\times {10}^{-3}\text{ s}=\mathrm{2,27}\text{ ms}\mathrm{.}$

Sons purs et sons complexes

Un signal parfaitement sinusoïdal — une courbe en vague unique et lisse — correspond à un son pur, qui n'existe presque que produit par un appareil (diapason, générateur). Les sons des instruments sont des sons complexes : leur signal est périodique, mais le motif a une forme compliquée, riche en détails. C'est cette richesse de forme qui, on le verra, fait le timbre.

La perception : hauteur, timbre et niveau sonore

Yasmine entend trois choses dans le son du guembri : il est grave ou aigu, il « sonne comme un guembri » et pas comme un autre instrument, et il est fort ou faible. Ces trois caractères de la perception correspondent chacun à une propriété physique du signal. Faisons le lien.

La hauteur

C'est un point que beaucoup retiennent à l'envers : aigu rime avec fréquence élevée, pas avec son « fort ». Un sifflement aigu peut être faible, un grondement grave peut être puissant.

Exemple 1. Le guembri du maâlem joue dans les graves, autour de $80$ à $200\text{ Hz}$. Les qraqeb, claquantes et perçantes, produisent des fréquences bien plus hautes : leur son est plus aigu. La période du guembri est donc plus longue que celle des qraqeb.

Exemple 2. Une voix de femme est en moyenne plus aiguë (fréquence plus haute) qu'une voix d'homme. L'oreille humaine perçoit, jeune, les fréquences d'environ $20\text{ Hz}$ (très grave) à $20000\text{ Hz}$ (très aigu).

Le timbre

C'est le timbre qui te fait reconnaître, les yeux fermés, qu'un « la » est joué par un guembri plutôt que par une flûte, alors que les deux ont la même hauteur (même fréquence) et le même niveau. Leurs signaux ont la même période mais une forme différente.

Exemple 1. Yasmine et son frère chantent exactement la même note : même fréquence, donc même hauteur. Pourtant elle reconnaît la voix de son frère, parce que le timbre — la forme du signal vocal — diffère d'une personne à l'autre.

Exemple 2. Sur un enregistrement, deux instruments jouant le même « la » à $440\text{ Hz}$ donnent deux courbes ayant la même période $T\approx \mathrm{2,27}\text{ ms}$, mais des motifs de formes nettement différentes : c'est la signature du timbre.

Le niveau sonore

Plus l'amplitude du signal — la hauteur des vagues de la courbe — est grande, plus le son est fort, et plus le niveau en dB est élevé. C'est ce que tu règles avec le bouton de volume : tu modifies l'amplitude, donc le niveau, sans toucher à la hauteur ni au timbre.

Exemple 1. Quand le maâlem frappe la peau du tambour plus fort, l'amplitude de la vibration augmente : le son est plus fort, le niveau sonore monte. Mais la note (la fréquence) reste la même : la hauteur ne change pas.

Exemple 2. Une conversation calme avoisine $40\text{ dB}$, une rue passante de Casablanca $70\text{ dB}$, le devant d'une sono de concert peut dépasser $100\text{ dB}$. L'échelle des décibels n'est pas proportionnelle : $0\text{ dB}$ correspond au seuil d'audition, pas à l'absence de son.

Le piège de « plus aigu = plus fort »

Hauteur et niveau sont deux propriétés indépendantes. On confond souvent « aigu » avec « fort » et « grave » avec « faible », parce qu'un cri aigu paraît agressif. Mais la hauteur dépend de la fréquence, le niveau dépend de l'amplitude : ce sont deux réglages distincts du son. On peut avoir un grave puissant (le guembri à pleine puissance) et un aigu discret (un léger tintement). Ne mélange jamais ces deux axes.

Les risques auditifs

Un son n'est pas qu'une information agréable : à forte intensité, c'est une agression mécanique pour l'oreille. Les cellules sensorielles de l'oreille interne, une fois abîmées, ne se régénèrent pas. Comprendre les niveaux sonores, c'est aussi savoir protéger une audition qui doit durer toute une vie.

Le danger dépend de deux facteurs : le niveau sonore et la durée d'exposition. Un son modérément fort écouté des heures peut être aussi nocif qu'un son très fort de courte durée.

Exemple 1. Devant les enceintes d'un concert à $105\text{ dB}$, l'oreille de Yasmine encaisse un niveau bien au-delà du seuil de risque. Quelques dizaines de minutes suffisent à fatiguer durablement son audition : d'où les bouchons d'oreille distribués à l'entrée.

Exemple 2. Écouter de la musique au casque à $95\text{ dB}$ pendant tout un trajet en train de Marrakech à Casablanca expose les oreilles d'Amine à un niveau de risque pendant plusieurs heures. Ce n'est pas « assourdissant » sur le moment, mais l'effet s'accumule.

Quelques ordres de grandeur

Pour situer un niveau, garde en tête quelques repères du quotidien : un murmure, environ $20\text{ dB}$ ; une conversation, $40\text{ dB}$ ; une rue animée, $70\text{ dB}$ ; un klaxon proche, $90\text{ dB}$ ; une sono de concert, $100$ à $110\text{ dB}$ ; un décollage d'avion à courte distance, $120\text{ dB}$ ou plus.

Le piège de l'échelle des décibels

On croit naturellement qu'un son de $100\text{ dB}$ est « un peu plus fort » qu'un son de $90\text{ dB}$. C'est faux : l'échelle des décibels n'est pas proportionnelle. Une hausse de quelques décibels correspond à une intensité bien plus que « un peu » supérieure. Ainsi, $90\text{ dB}$ représente une intensité énormément plus grande que $40\text{ dB}$ — pas « un peu plus du double ». Tu reverras la nature exacte de cette échelle (logarithmique) plus tard ; retiens dès maintenant qu'additionner naïvement les décibels n'a pas de sens.

Pièges classiques

1. Croire que le son se propage dans le vide. Une onde sonore a besoin de matière à bousculer de proche en proche : gaz, liquide ou solide. Dans le vide spatial, aucun son ne voyage — contrairement à la lumière. C'est une erreur fréquente entretenue par les films.

2. Croire que le son est instantané. À $340\text{ m/s}$, le son met un temps mesurable $\mathrm{\Delta }t={\displaystyle \frac{d}{v}}$ pour parcourir une distance. C'est ce délai qui permet de calculer une distance par l'écho ou de situer un orage. Ne le néglige jamais sur de grandes distances.

3. Confondre période et fréquence. La période $T$ est une durée (en s) : le temps d'un motif. La fréquence $f$ est un nombre par seconde (en Hz) : combien de motifs par seconde. Elles sont inverses l'une de l'autre, $f={\displaystyle \frac{1}{T}}$, et ne s'expriment pas dans la même unité.

4. Oublier de convertir la période en secondes. La relation $f={\displaystyle \frac{1}{T}}$ ne donne des hertz que si $T$ est en secondes. Une période lue en millisecondes doit être convertie d'abord : $T=4\text{ ms}=\mathrm{0,004}\text{ s}$, sinon la fréquence trouvée est mille fois trop petite.

5. Confondre hauteur et niveau sonore. La hauteur (grave/aigu) dépend de la fréquence ; le niveau (fort/faible) dépend de l'amplitude. « Plus aigu » ne veut pas dire « plus fort ». Ce sont deux propriétés indépendantes du son.

6. Traiter les décibels comme une échelle proportionnelle. Un son de $100\text{ dB}$ n'est pas « un dixième de plus » qu'un son de $90\text{ dB}$. L'échelle des dB n'est pas linéaire, et l'on n'additionne pas deux niveaux sonores en ajoutant simplement leurs valeurs.

Application concrète

Yasmine a enregistré le maâlem au festival gnaoua d'Essaouira avec le micro de son téléphone. De retour au lycée, elle ouvre le fichier dans un logiciel d'acquisition qui affiche le signal sonore en fonction du temps. Elle veut décrire ce son en physicienne : sa hauteur, et la distance du mur qui lui renvoyait l'écho dans la médina.

Étape 1 — Identifier la source et le milieu. Le son vient de la corde vibrante du guembri ; il s'est propagé de proche en proche dans l'air, à $v\approx 340\text{ m/s}$, jusqu'au micro. Yasmine note que sans cet air, rien n'aurait été enregistré : le son n'existe pas dans le vide.

Étape 2 — Mesurer la période. Sur l'écran, le motif du signal se répète régulièrement : c'est un son périodique, donc musical. Yasmine repère deux maxima consécutifs et lit l'intervalle qui les sépare : $T=5\text{ ms}$. Elle convertit aussitôt en secondes : $T=5\text{ ms}=5\times {10}^{-3}\text{ s}=\mathrm{0,005}\text{ s}\mathrm{.}$

Étape 3 — Calculer la fréquence et conclure sur la hauteur. Elle applique la relation $f={\displaystyle \frac{1}{T}}={\displaystyle \frac{1}{\mathrm{0,005}}}=200\text{ Hz}\mathrm{.}$ La corde vibre $200$ fois par seconde. Comme $200\text{ Hz}$ est une fréquence basse (proche de la limite grave de l'audition), Yasmine confirme ce que son oreille percevait : le guembri est un instrument grave. Les qraqeb, sur le même enregistrement, montrent un motif bien plus serré (période plus courte, fréquence plus haute) : leur son est aigu. Et bien que les deux jouent ensemble, leurs timbres distincts — formes de signaux différentes — lui permettent de les séparer à l'oreille.

Étape 4 — Estimer la distance du mur par l'écho. Dans la ruelle, Yasmine avait crié une fois et entendu l'écho revenir $\mathrm{\Delta }t=\mathrm{0,40}\text{ s}$ plus tard. Le son a fait l'aller-retour jusqu'au mur, soit deux fois la distance $d$ cherchée. La distance totale parcourue est $d_{\text{total}}=v\times \mathrm{\Delta }t=340\times \mathrm{0,40}=136\text{ m}\mathrm{.}$ Comme c'est un aller-retour, le mur est à la moitié : $d={\displaystyle \frac{d_{\text{total}}}{2}}={\displaystyle \frac{136}{2}}=68\text{ m}\mathrm{.}$

Étape 5 — Vérifier le niveau et le risque. Le logiciel indique un niveau crête d'environ $102\text{ dB}$ près de la scène. Yasmine sait que ce niveau dépasse le seuil de risque ($80\text{ dB}$) : une exposition prolongée aurait abîmé son audition. Elle se félicite d'avoir gardé ses bouchons d'oreille pendant le concert.

Conclusion. À partir d'un simple enregistrement, Yasmine a tout dit du son du guembri : une source vibrante à $f=200\text{ Hz}$ (donc un son grave), distinguable des qraqeb par son timbre, capté à un niveau de $102\text{ dB}$ à manier avec prudence, et renvoyé par un mur situé à $68\text{ m}$. La même démarche — lire une période, en déduire une fréquence, exploiter un délai de propagation — est exactement celle que tu réutiliseras au chapitre 15 avec les signaux et les capteurs, puis en classes préparatoires lorsque tu étudieras les ondes dans toute leur généralité.

À retenir