Signaux sonores

Production et propagation d'un son

Avant de mesurer un son, demande-toi d'où il vient. Pince une corde de guitare et regarde-la : elle tremble, elle va et vient très vite autour de sa position de repos. Pose un doigt dessus pour l'arrêter, et le son cesse aussitôt. Ce n'est pas un hasard : un son naît toujours d'un objet qui vibre.

Les exemples t'entourent : la corde d'une guitare ou d'un oud, la membrane d'un haut-parleur, la peau tendue d'un tambour, et même tes cordes vocales quand tu parles ou que tu chantes. Dans tous les cas, quelque chose vibre.

De la source à ton oreille : la propagation

Une corde qui vibre à un mètre de toi, tu l'entends. Mais comment le son franchit-il ce mètre d'air ? La corde, en vibrant, bouscule l'air tout autour d'elle : elle le comprime, puis le détend, comprime, détend… Ces zones de compression et de détente se transmettent de proche en proche dans l'air, comme une onde qui s'éloigne. Quand cette suite d'ébranlements atteint ton tympan, celui-ci se met à vibrer à son tour, et tu perçois un son.

Le son ne se propage pas dans le vide

Voici le point qui surprend toujours. Puisque le son a besoin de matière pour se transmettre de proche en proche, il ne peut pas voyager là où il n'y a pas de matière : dans le vide, aucun son ne se propage.

L'expérience classique consiste à placer une sonnerie sous une cloche de verre, puis à pomper l'air pour faire le vide. À mesure que l'air disparaît, le son faiblit, jusqu'à devenir inaudible — alors même qu'on voit toujours le marteau frapper la cloche. C'est aussi pour cela que, dans l'espace, deux astronautes ne peuvent pas s'entendre crier : entre eux, il n'y a pas d'air, donc pas de son.

Exemple 1. L'air (gaz) transmet le son : tu entends une conversation à travers la pièce. Exemple 2. L'eau (liquide) aussi : sous la surface d'une piscine, tu perçois les bruits. Exemple 3. Les solides aussi, souvent même mieux : colle ton oreille à un rail ou à un mur, et tu entends des bruits lointains que l'air ne t'apporterait pas. Exemple 4. Le vide, lui, ne transmet rien.

La vitesse du son

Quand l'orage gronde au-dessus d'Ifrane, tu vois l'éclair d'abord et tu entends le tonnerre ensuite. Pourtant les deux naissent au même instant, du même coup de foudre. Si le son arrive en retard, c'est qu'il met du temps à parcourir la distance qui te sépare de l'orage : le son ne se propage pas instantanément, il a une vitesse bien déterminée.

Retenir ce nombre, $340$ m/s dans l'air, est essentiel : c'est la clé de tous les calculs de ce chapitre.

Calculer avec la vitesse du son

La vitesse du son obéit à la même relation que toutes les vitesses, celle que tu as vue au chapitre sur le mouvement :

Exemple 1 (calculer une distance). Pendant un orage, Karim entend le tonnerre $3$ s après avoir vu l'éclair. La distance qui le sépare de l'impact vaut $d=v\times t=340\times 3=1020$ m, soit un peu plus d'un kilomètre.

Exemple 2 (calculer une durée). Un son doit franchir $d=680$ m dans l'air. La durée du trajet vaut $t={\displaystyle \frac{d}{v}}={\displaystyle \frac{680}{340}}=2$ s.

Exemple 3 (un écho). Amine crie face à une falaise distante de $170$ m. Le son fait l'aller puis le retour, soit $2\times 170=340$ m. Il revient donc après $t={\displaystyle \frac{340}{340}}=1$ s : c'est l'écho. Attention, pour un écho, le son parcourt deux fois la distance qui te sépare de l'obstacle.

Pourquoi l'éclair arrive avant le tonnerre

La lumière, elle, va tellement vite ($300000$ km/s, soit près d'un million de fois plus que le son) que tu peux la considérer comme quasi instantanée sur les distances de la vie courante. L'éclair t'atteint donc « tout de suite », tandis que son tonnerre, lui, prend son temps à $340$ m/s.

C'est exactement le calcul de l'exemple 1, et c'est ce que tu retrouveras dans l'application concrète à la fin du chapitre.

Hauteur et fréquence

Joue la corde la plus épaisse d'une guitare, puis la plus fine : la première sonne grave, la seconde aiguë. Cette qualité du son — grave ou aigu — porte un nom : la hauteur. Et elle dépend d'une grandeur mesurable.

La fréquence compte le nombre de vibrations (d'allers-retours) effectuées chaque seconde. Un hertz, c'est une vibration par seconde. Une corde qui vibre $440$ fois par seconde émet un son de fréquence $440$ Hz : c'est le « la » de référence que Yasmine utilise pour accorder sa guitare.

La période, l'autre face de la fréquence

Une vibration se répète identiquement à elle-même : on dit qu'elle est périodique. La durée d'un seul aller-retour s'appelle la période.

Période et fréquence disent la même chose de deux manières : la période est la durée d'une vibration, la fréquence est le nombre de vibrations par seconde. Plus la période est courte, plus les vibrations se bousculent, donc plus la fréquence est grande et le son aigu.

Exemple 1. Une vibration a une période $T=\mathrm{0,01}$ s. Sa fréquence vaut $f={\displaystyle \frac{1}{T}}={\displaystyle \frac{1}{\mathrm{0,01}}}=100$ Hz.

Exemple 2. Un son a une fréquence $f=500$ Hz. Sa période vaut $T={\displaystyle \frac{1}{f}}={\displaystyle \frac{1}{500}}=\mathrm{0,002}$ s.

Ce que l'oreille humaine peut entendre

Ton oreille ne perçoit pas toutes les fréquences. Elle entend, en gros, de $20$ Hz à $20000$ Hz. C'est le domaine audible.

• En dessous de $20$ Hz, on parle d'infrasons : ton oreille ne les entend pas (certains animaux, comme l'éléphant, si).
• Au-dessus de $20000$ Hz, ce sont les ultrasons : inaudibles pour toi, mais perçus par la chauve-souris ou le dauphin, et utilisés par exemple en échographie.

Intensité sonore et niveau sonore

Un son peut être grave ou aigu — c'est sa hauteur — mais il peut aussi, indépendamment, être fort ou faible. Murmure puis crie le même mot : la hauteur de ta voix reste à peu près la même, mais l'intensité change du tout au tout. Ces deux caractères d'un son sont totalement séparés, et c'est l'une des confusions les plus fréquentes que de les mélanger.

Mesurer le niveau sonore en décibels

Pour chiffrer l'intensité d'un son, on mesure son niveau sonore à l'aide d'un appareil appelé sonomètre.

Quelques repères pour fixer l'échelle :

• une pièce calme, une bibliothèque : environ $30$ dB ;
• une conversation normale : environ $60$ dB ;
• une rue passante de Casablanca : environ $80$ dB ;
• un concert ou une boîte de nuit : $100$ à $110$ dB ;
• le seuil de douleur, où le son devient physiquement douloureux : environ $120$ dB.

Le bruit, un danger pour l'audition

Un son trop fort, ou un son fort écouté trop longtemps, abîme l'oreille, et les dégâts sont souvent irréversibles. Deux facteurs comptent :

• le niveau sonore : au-delà de $85$ dB environ, l'exposition devient risquée, et vers $120$ dB la douleur signale un danger immédiat ;
• la durée d'exposition : un niveau modéré mais subi pendant des heures (écouteurs à fond, par exemple) fatigue et endommage l'audition tout autant qu'un son violent et bref.

C'est pourquoi on conseille de baisser le volume des écouteurs, de faire des pauses, et de porter des protections lors d'un concert ou en milieu bruyant.

Pièges classiques

Piège 1 : confondre hauteur (fréquence) et intensité (volume). La hauteur dit si un son est grave ou aigu : elle dépend de la fréquence, en Hz. L'intensité dit s'il est faible ou fort : elle se mesure en décibels (dB). Ce sont deux grandeurs indépendantes. Un murmure aigu et un cri grave existent parfaitement : on peut être aigu sans être fort, fort sans être aigu. Ne dis jamais qu'un son « plus aigu » est « plus fort ».

Piège 2 : croire que le son se propage dans le vide. Le son a besoin de matière pour se transmettre de proche en proche. Dans le vide, il n'y a rien à comprimer ni à détendre : aucun son ne s'y propage. Les batailles spatiales bruyantes des films sont une pure invention. La lumière, elle, traverse le vide — d'où vient justement la confusion.

Piège 3 : oublier de convertir la durée (ou les unités). La formule $v={\displaystyle \frac{d}{t}}$ avec $v=340$ m/s n'est cohérente que si $d$ est en mètres et $t$ en secondes. Si l'énoncé donne une distance en kilomètres, convertis-la en mètres ($1$ km $=1000$ m) avant de calculer. Mélanger km et m/s donne un résultat absurde.

Piège 4 : confondre période $T$ en s et fréquence $f$ en Hz. La période $T$ est une durée, en secondes : c'est le temps d'une vibration. La fréquence $f$ est un nombre de vibrations par seconde, en hertz. Elles sont inverses l'une de l'autre : $f={\displaystyle \frac{1}{T}}$. Une grande fréquence va avec une petite période, pas l'inverse. Ne donne jamais une fréquence en secondes ni une période en hertz.

Piège 5 : oublier l'aller-retour dans un écho. Quand un son rebondit sur un obstacle et revient, il parcourt deux fois la distance qui te sépare de l'obstacle : une fois à l'aller, une fois au retour. Pour trouver la distance à l'obstacle à partir de la durée de l'écho, divise la distance totale par $2$. Oublier ce facteur $2$ double l'erreur.

Piège 6 : croire que le son va aussi vite que la lumière. La lumière est quasi instantanée sur Terre ; le son rampe à $340$ m/s. C'est précisément cette énorme différence qui fait que l'éclair précède le tonnerre, ou que tu vois le ballon frappé avant d'entendre le « pock » depuis le fond du stade. Confondre les deux vitesses, c'est s'interdire de comprendre ce décalage.

Application concrète

Un soir d'été, Karim observe un orage qui approche d'Ifrane depuis la fenêtre. À chaque éclair, il déclenche le chronomètre de son téléphone et l'arrête quand il entend le tonnerre. Il veut savoir à quelle distance gronde l'orage, et s'il se rapproche. On prend la vitesse du son dans l'air égale à $340$ m/s.

Étape 1 — Comprendre le décalage.

L'éclair et le tonnerre naissent au même instant, du même coup de foudre. Pourtant Karim voit l'éclair bien avant d'entendre le tonnerre. La raison : la lumière de l'éclair est quasi instantanée, tandis que le son du tonnerre se traîne à $340$ m/s. Le retard mesuré au chronomètre est donc, à très peu près, le temps que met le son seul pour parcourir la distance jusqu'à Karim.

Étape 2 — Lire la mesure.

Au premier éclair, Karim compte $t=5$ s entre la lumière et le bruit. C'est la durée que le son a mise à parvenir jusqu'à lui.

Étape 3 — Calculer la distance.

Il applique $d=v\times t=340\times 5=1700$ m. L'orage gronde donc à environ $\mathrm{1,7}$ km de la fenêtre. (Karim retrouve au passage la règle populaire « $3$ secondes ≈ $1$ km », car $340\times 3\approx 1000$ m.)

Étape 4 — Vérifier s'il se rapproche.

À l'éclair suivant, le retard n'est plus que de $3$ s. Nouvelle distance : $d=340\times 3=1020$ m, soit environ $1$ km. Le délai a diminué, donc la distance aussi : l'orage se rapproche. S'il avait augmenté, l'orage se serait éloigné.

Étape 5 — Distinguer ce que Karim entend.

Le tonnerre est un son grave (basse fréquence) et très intense (niveau sonore élevé, parfois plus de $100$ dB tout près de l'impact). Karim ne confond pas les deux caractères : la fréquence dit grave ou aigu, le niveau en décibels dit faible ou fort. Ici le tonnerre est à la fois grave et fort, deux propriétés distinctes.

Conclusion.

Avec une seule observation — le retard entre l'éclair et le tonnerre — et la relation $d=v\times t$, Karim a transformé son téléphone en télémètre d'orage. Il a réutilisé la vitesse vue au chapitre sur le mouvement, en l'appliquant cette fois au son. Au lycée, tu retrouveras ces idées d'onde, de fréquence et de période, et tu les pousseras jusqu'à la lumière elle-même, qui est aussi une onde — mais d'un genre capable, lui, de traverser le vide.

À retenir

Avant les exercices, voici les règles essentielles à mémoriser.