Onde sonore

Une onde sonore est une onde longitudinale produite par une perturbation suffisamment rapide de la pression atmosphérique pour être perçue par des êtres vivants, oscillation ou impulsion. Dans le cas d'une vibration mécanique d'un fluide celle-ci se propage grâce à la déformation élastique de ce fluide. Le son est la sensation auditive que produit cette vibration. Une brève variation de la pression atmosphérique, telle un claquement, peut aussi produire une onde sonore.

Les êtres humains, comme beaucoup d'animaux, ressentent ces sons grâce au sens de l'ouïe et par la conduction osseuse, dans une certaine bande de fréquences. Les vibrations inaudibles de plus basse fréquence s'appellent des infrasons, ceux de plus haute fréquence, les ultrasons ; cette limite n'a pas de pertinence pour la physique.

L'acoustique est la science qui étudie les vibrations audibles ; la psychoacoustique s'intéresse quant à elle à la manière dont les organes du corps humain, y compris le cerveau, ressentent et l'être humain perçoit et interprète les sons.

Émission Tout phénomène capable d'engendrer des vibrations dans un fluide ou un solide peut éventuellement produire un son. Le phénomène initial n'est pas nécessairement vibratoire : une surpression temporaire (due par exemple à une explosionOn pense notamment que le son le plus puissant des temps historiques a été généré par l'explosion du Krakatoa en 1883.) ou une dépression (due par exemple à une implosion) émet des sons ; de même le vent génère des sons via l'excitation d'oscillations propres de feuillages ou de parois, transmises à l'air ambiant.

Propagation Dans un milieu fluide, une variation de pression se propage sous la forme d'une onde. Le son ne se propage pas dans le vide : il faut de la matière pour que sa vibration puisse se propager en ondes sonores. L'air, dans lequel vivent les humains, est un milieu propice, et les variations de la pression de l’air constituent le son. L'amplitude de la variation de pression est faible par rapport à la pression statique (pression atmosphérique) ; pour qu'elle soit perceptible, il faut qu'elle soit suffisamment rapide et répétée.

On appelle source sonore un objet vibrant, comme les organes de la voix, un instrument de musique ou un haut-parleur, à l'origine d'une vibration de l'air. La perturbation se propage, mais les particules d'air oscillent seulement de quelques micromètres autour d'une position stable, de la même façon que lorsqu'on jette une pierre dans l'eau, les vagues se déplacent en s'éloignant du point de chute, 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). Dans les fluides, l'onde sonore est longitudinale, c'est-à-dire que les particules vibrent parallèlement à la direction de déplacement de l'onde.

Les solides, en vibrant, peuvent transmettre un son. La vibration s'y propage, comme dans les fluides, avec une faible oscillation des atomes autour de leur position d'équilibre, résultant en une contrainte du matériau, équivalent à la pression dans un fluide, mais plus difficile à mesurer. La rigidité du matériau permet la transmission d'ondes de contraintes transversales. De même, quoique dans une moindre mesure, la viscosité d'un fluide peut modifier, particulièrement dans des conditions extrêmes, les équations de propagation calculées pour un gaz parfait.

Vitesse

La vitesse du son ou célérité du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Dans l'air à au niveau de la mer elle est d'environ .

Dans un fluide la vitesse du son est donnée par la formule , où désigne la compressibilité isentropique et la masse volumique. Pour un gaz parfait cette formule s'écrit où désigne l'indice adiabatique ( pour un gaz parfait monoatomique, pour un gaz parfait diatomique), la constante des gaz parfaits et la masse molaire. Ce résultat est valable approximativement pour la propagation dans l'air sec. :

où la température est exprimée en kelvins. Pour des températures ordinaires dans les lieux habités la formule où est la température en degrés Celsius permet un calcul rapide. Le résultat de ces deux approximations s'éloigne de moins de de la vitesse du son dans l'air sec à la pression atmosphérique normale entre calculée avec plus de précision.

thumb|Vitesse du son selon la température et l'humidité. L'assimilation de l'air sec à un gaz parfait aboutit à des divergences avec les valeurs mesurées, particulièrement à haute pression et à basse température. Des calculs plus précis ou valides sur un plus large intervalle doivent considérer les relations plus complexes qui existent dans un gaz réel.

L'humidité de l'air augmente légèrement la vitesse du son. L'air chaud peut contenir plus de vapeur d'eau ; la variation, exponentielle. est insensible en dessous de . À , la vitesse du son dans un air à une humidité relative de 85% est supérieure de à celle de l'air sec d'après ..

La variation de la vitesse du son dans l'air a parfois une importance pratique considérable. En acoustique musicale, cette vitesse détermine la fréquence de l'onde sonore qui sort d'un tuyau résonnant comme un tuyau d'orgue. Dans les laboratoires, la mesure de la vitesse du son dans diverses conditions est un moyen d'accéder à des caractéristiques d'un matériau.

La vitesse du son augmente : lorsque la densité diminue (effet d'inertie) ; lorsque la compressibilité (l'aptitude à diminuer de volume sous l'effet de la compression) diminue.

Dans l'eau, plus dense mais beaucoup moins compressible que l'air, la vitesse du son est d'environ . Dans d'autres milieux, les vibrations peuvent se propager encore plus rapidement. Dans l'acier, les vibrations se propagent de 5600 à .

Intensité

La puissance d'une onde sphérique se répartit sur une sphère, dont la superficie est proportionnelle au carré du rayon. En conséquence, la puissance sonore par unité de surface diminue en proportion du carré de la distance à la source, si aucun obstacle ne vient dévier le son.

La plupart du temps, l'atténuation par absorption dans le milieu de propagation varie selon la fréquence. Dans l'air, en , l'amplitude d'une onde à est dix fois plus affaiblie qu'une onde à basse fréquence. On n'en connaît que certaines causes. La viscosité de l'air provoque une atténuation proportionnelle au carré de la fréquence ; des échanges thermiques causent un affaiblissement supplémentaire, proportionnel à la fréquence et variable selon la composition de l'air, notamment selon son humidité. La mesure montre une atténuation supplémentaire qui n'a pas été intégrée aux modèles théoriques...

L'étude de la propagation dans un endroit donné s'effectue à partir de la pression acoustique, qu'on exprime souvent en décibels par rapport à la limite de perception. Le gradient de pression permet de déterminer l'intensité acoustique, qui exprime la quantité et la direction de la puissance qui se transfère par la vibration du milieu. On construit ainsi un modèle mathématique du champ acoustique.

Dans l'atmosphère

Les conditions atmosphériques influent sur la propagation acoustique locale et à grande distance.AFNOR, Norme AFNOR XPS 31 133, Acoustique, - Bruit des infrastructures de transports terrestres - Calcul de l’atténuation du son lors de sa propagation en milieu extérieur, incluant les effets météorologiques, Paris, 2001 (annulée) présentation en ligne..

Le profil vertical de température et la vitesse horizontale du vent ont une importance prépondérante. Proche de l'horizontale le son est plus dévié que sous des angles montants ou descendants à cause de la variation verticale de température et du profil de vent. Une couche d'inversion basse dévie par réfraction vers le sol les ondes montantes. Par exemple, à la suite du refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un train à d'une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Une double inversion telle qu'existant vers d'altitude constitue un guide d'ondes capable de transporter des infrasons, très peu absorbés, sur des distances de plusieurs milliers de kilomètres. Le réseau de détection du TICE utilise cette propriété. L'atténuation est moindre sous le vent, l'onde étant transportée par celui-ci.. La vitesse du vent dans la couche limite atmosphérique augmente avec la hauteur. Ce gradient de vitesse rabat l'onde sonore qui se propage dans le sens du vent vers le sol. À l'inverse, l'onde voyageant contre le vent est déviée vers le ciel. Dans ce dernier cas on peut observer la formation de zones d'ombre que le son n'atteint pas.

Dans des milieux hétérogènes La présence de gouttelettes d'eau dans l'atmosphère, comme dans les nuages et les brumes, comme celle de cristaux de glace, en cas de neige, change considérablement la propagation du son. Elle se traduit par une diminution et une dispersion de la vitesse et une atténuation d'autant plus marquée que la fréquence est basseMichaël Baudoin, Jean-Louis Thomas, François Coulouvrat. Influence des nuages sur l’atténuation du son, des infrasons et du bang sonique. 10ème Congrès Français d’Acoustique, Apr 2010, Lyon, France. lire en ligne..

Dans des milieux hétérogènes, le son subit des réflexions et des réfractions sur les interfaces, qui aboutissent à des diffusions et des absorptions qui sont à la base de l'isolation phonique.

Tonnerre On peut arrondir la vitesse du son à un kilomètre toutes les trois secondes afin de calculer assez facilement, bien qu'approximativement, la distance qui sépare l'observateur d'un éclair pendant un orage. En effet, les éclairs sont suffisamment proches pour qu'on puisse considérer en percevoir la lumière instantanément. Chaque période de trois secondes qu'il faut ensuite attendre pour entendre le tonnerre représente donc à peu près un kilomètre. Ainsi, pour une attente de 8 secondes, la distance qui sépare l'observateur de l'éclair est de ; ou, plus simplement 2 kilomètres deux tiers.

Étant donné la méthode d'estimation, plus de précision est illusoire. Même sans tenir compte du temps de réaction humaine (si on comptait, par exemple, le temps écoulé sur un enregistrement vidéo), il est improbable que dans une atmosphère perturbée par des vents violents et des différences de température et d'humidité considérables l'onde sonore se déplace toujours en ligne droite et à la même vitesseVoir à ce sujet ..

Dans l'environnement Pour le naturaliste, le paysage sonore se répartit en trois domaines : la biophonie, que génèrent par leurs propres moyens les animaux de toute espèce, la géophonie, c'est-à-dire les vibrations de la Terre et de son atmosphère et lanthropophonie, produit des civilisations humaines..

Dans le monde animal Les animaux produisent des sons par leurs mouvements (pattes, ailes, mandibules), mais ils possèdent aussi des organes spécialisés dans l'émission de sons. Les insectes sont présents depuis environ (millions d'années), mais l'organe spécialisé le plus ancien connu (des râpes sur les ailes d'une espèce fossile de sauterelles, dont le frottement produisait une stridulation) ne date que d'environ . Le son émis par une autre espèce de sauterelles, un peu plus récente (, ), a pu être reconstitué : (un sol de la ). Les plus anciens fossiles de cigales, qui produisent des sons particulièrement intenses par cymbalisation (les vibrations d'une membrane actionnée par des muscles spécifiques, amplifiées par une caisse de résonance) datent de la même époque..