Un son est produit par la vibration d'une source sonore. Il a besoin d'un milieu matériel pour se propager. La vitesse du son dépend du milieu matériel dans lequel il se propage. Pour qu'un son audible soit perçu, il faut qu'il se propage jusqu'au tympan d'une personne. Lorsqu'un son effectue un aller-retour entre une source et un obstacle, la mesure de la durée de sa propagation permet de déterminer la distance qui les sépare.
Les différents types de sons
Le son est produit par la vibration d'un objet. On distingue les sons audibles auxquels l'oreille humaine est sensible, des infrasons et ultrasons.
Son
Le son est une onde émise lorsqu'un objet est le siège de vibrations.
Lorsqu'on martèle un diapason, celui-ci émet un son car ses lames entrent en vibration :
Il existe plusieurs types de sons. On distingue :
- Les sons audibles qui sont ceux perceptibles par l'oreille humaine.
- Les infrasons qui sont trop graves pour l'oreille humaine.
- Les ultrasons qui sont trop aigus pour l'oreille humaine.
- Les humains émettent des sons audibles pour communiquer.
- Les éléphants émettent des infrasons pour communiquer.
- Les chauves-souris émettent des ultrasons pour se localiser.
La propagation et la perception d'un son
Le son est une onde qui se propage dans un milieu matériel solide, liquide ou gazeux, par mise en vibration des particules. La vitesse du son dépend du milieu. À pression et température standards, la vitesse du son dans l'air est de 340 \text{ m.s}^{-1} . Un son audible est perçu s'il atteint le tympan de l'oreille.
Les conditions de propagation d'un son
Le son se propage par mise en vibration des particules du milieu de propagation. La propagation du son nécessite donc un milieu matériel, solide, liquide ou gazeux.
Lorsqu'un son se propage, la vibration de la source est transmise au milieu de propagation. Ensuite la vibration est transmise de proche en proche dans le milieu.
Lorsqu'un haut-parleur émet un son, la vibration de la membrane est transmise aux couches d'air et se transmet de proche en proche.
Le son est une onde mécanique : il a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager. Les sons ne peuvent pas se propager dans le vide (contrairement aux ondes lumineuses).
Si l'on place une sonnette dans une cloche dans laquelle on fait le vide, on peut la voir vibrer mais aucun son n'est émis.
La vitesse du son
La vitesse du son dépend du milieu dans lequel elle se propage ainsi que de la température et de la pression. On considère qu'à pression et température standards la vitesse du son dans le vide et dans l'air, est c = 340 \text{ m/s} .
À pression et température standards (pression atmosphérique et température de 20 °C), la vitesse du son dans l'air est de 340 \text{ m.s}^{-1} .
La vitesse du son dépend de la pression et de la température du milieu qu'il traverse.
La vitesse du son dans l'air augmente avec sa température. À la température de 40 °C, la vitesse du son dans l'air est de 355 \text{ m.s}^{-1} .
La vitesse du son dépend de la nature du milieu qu'il traverse : plus le milieu de propagation est dense, plus les particules qui le constituent sont proches les unes des autres et donc plus la vitesse du son est élevée.
L'eau étant un milieu plus dense que l'air, la vitesse du son y est plus grande et vaut environ 1\ 400 \text{ m.s}^{-1} .
La perception du son
Un son audible est perçu s'il se propage jusqu'au tympan d'un auditeur.
Pour qu'un son audible soit perçu, il faut qu'il se propage jusqu'au tympan et qu'il lui transmette sa vibration. Le signal nerveux résultant est ensuite décodé par le cerveau.
Les différences de perceptions entre les personnes proviennent de la sensibilité de l'oreille de chaque personne. Ainsi, les limites entre sons audibles et inaudibles (infrasons et ultrasons) varient légèrement selon les personnes et leur âge.
Les jeunes personnes perçoivent des sons plus aigus que les personnes âgées ne perçoivent pas.
La mesure des distances avec des sons
La propagation d'un son entre une source et un obstacle permet de mesurer la distance qui les sépare.
Distance entre un ensemble émetteur-récepteur d'ondes et un obstacle réfléchissant
Lors de la mesure d'une distance par écho, le son effectue un aller-retour entre un émetteur et un obstacle séparés par une distance d. Puisque la distance parcourue par le son est le double de d, l'expression de la vitesse du son est :
v_{\text{ km.s}{-1}} = \dfrac{ 2 \times d_{\text{ km}}} {{\Delta t_{\text{ s}}}}
Et la relation donnant la distance entre l'émetteur et l'obstacle est :
d_{\text{ km}} = \dfrac{v_{\text{ km.s}{-1}} \times \Delta t_{\text{ s}} }{2}
Pour déterminer une distance à l'aide du son, on suit le protocole suivant :
- On se munit d'une sonde qui regroupe un émetteur et un récepteur d'ondes sonores (généralement ultrasonores).
- On place la sonde devant un obstacle qui réfléchit le son.
La distance d qui sépare la sonde de l'obstacle peut alors être déterminée à partir du son et de la durée \Delta t de l'aller-retour effectué par le son :
d_{\text{ km}} = \dfrac{v_{\text{ km.s}{-1}} \times \Delta t_{\text{ s}} }{2}
Lors d'une échographie, on pose une sonde sur le ventre de la patiente. Celle-ci génère des ultrasons qui se transmettent jusqu'au fœtus. Les ultrasons vont alors être réfléchis par les tissus durs (comme les os) du fœtus et revenir vers la sonde qui mesure la durée de cet aller-retour.
Si la durée mesurée entre le départ et le retour des ultrasons est de 6{,}7 \times 10^{-5} \text{ s} et que l'on considère que dans le corps de la patiente les ultrasons se propagent à la vitesse de 1 500 m/s, la distance entre la sonde et le tissu réfléchi est :
d = \dfrac{c \times \Delta t}{2}
d = \dfrac{1\ 500 \times 6{,}7 \times 10^{-5}}{2}
d=0{,}050 \text{ m}
Soit :
d=5{,}0 \text{ cm}