Le son est partout autour de nous. Nous utilisons notre sens du son pour naviguer dans notre environnement, communiquer et profiter de la musique. Mais qu'est-ce que le son? Comment est-il fabriqué et comment se transmet-il d'un endroit à un autre ?
Que sont les ondes sonores ?
Le son est un type d'onde mécanique ou une oscillation de la matière. Une onde est une perturbation qui se déplace d'un endroit à un autre dans un milieu. La clé ici est que les points du milieu oscillent sur place pendant que la perturbation elle-même se déplace.
Par exemple, considérons une vague faite par une foule lors d'un match de balle. Les ventilateurs dans leurs sièges servent de médium à ondes. Individuellement, ils se lèvent, lèvent les bras puis se rasseyent – ils oscillent sur place. La perturbation, cependant, se propage tout autour du stade.
Les oscillations dans un milieu ont tendance à se présenter sous l'une des deux variétés suivantes: Les ondes transversales oscillent perpendiculairement à la direction de voyage (comme avec le public au stade, ou une onde sur une corde) et les ondes longitudinales oscillent parallèlement à la direction de Voyage.
Les ondes sonores sont des ondes longitudinales. Lorsqu'une onde sonore se propage à travers un milieu, comme l'air, elle le fait en faisant vibrer les molécules d'air, ce qui provoque des changements de pression de l'air, entraînant des compressions (régions de haute pression) et des raréfactions (régions de basse pression) dans l'air comme la vague voyages.
Pensez à un ressort de jouet comme un Slinky étendu sur une table avec une personne tenant chaque extrémité. Si une personne tire le Slinky vers elle, elle enverra une onde longitudinale le long du Slinky. Vous verrez des régions des bobines Slinky qui sont plus rapprochées (compressions) et moins espacées (raréfactions). Tout point donné du Slinky oscille d'avant en arrière lorsque la perturbation se déplace d'un bout à l'autre.
Encore une fois, c'est exactement ce qui se passe avec les ondes sonores dans l'air, ou dans tout autre milieu, d'ailleurs.
Comment les ondes sonores sont-elles créées ?
Comme pour toute autre onde, les ondes sonores sont créées par une perturbation ou une vibration initiale. Un diapason frappé, par exemple, vibre à une fréquence spécifique. En se déplaçant, il heurte les molécules d'air qui l'entourent, les comprimant périodiquement.
Les régions comprimées transfèrent également cette énergie à leurs molécules d'air voisines et la perturbation se déplace dans l'air jusqu'à ce qu'elle atteigne votre oreille, à quel point il transfère de l'énergie à votre tympan, qui vibrera à la même fréquence - et sera interprété par votre cerveau comme sonner.
Lorsque vous parlez, vous faites vibrer votre larynx (un petit tube creux au sommet de votre trachée), qui à son tour fait vibrer l'air autour de lui, qui propage ensuite l'énergie sonore à l'auditeur. En contractant et en dilatant les tissus de votre larynx ainsi qu'en manipulant les articulateurs de votre bouche (vos lèvres, votre langue et d'autres structures buccales), vous pouvez créer différents sons.
Tous les objets peuvent être des sources sonores qui créent du son de la même manière – en vibrant et en transférant ces vibrations à un milieu adjacent, tel que l'air.
La vitesse du son
Dans l'air sec, le son se propage à une vitesse de
v = 331,4 + 0,6T_c
oùTcest la température en Celsius. Un jour standard de 20 degrés Celsius (68 degrés Fahrenheit), le son se propage à environ 343,4 m/s. C'est environ 768 miles par heure!
La vitesse du son est différente selon les médias. Par exemple, la vitesse à laquelle une onde sonore se propage dans l'eau peut être supérieure à 1 437 m/s; dans le bois, elle est de 3 850 m/s; et en aluminium, à plus de 6 320 m/s !
En règle générale, le son voyage plus rapidement dans les matériaux où les molécules sont plus proches les unes des autres. Il se déplace le plus rapidement dans les solides, le deuxième le plus rapide dans les liquides et le plus lent dans les gaz.
Expérience: Mesurer la vitesse du son
Vous pouvez effectuer une expérience simple pour mesurer la vitesse du son. Pour ce faire, vous aurez besoin d'une source émettrice de son (qui peut être un diapason, un coup de main ou votre propre voix) et un miroir surface à une distance connue de la source (comme un mur de falaise solide à plusieurs mètres devant vous, ou l'extrémité fermée d'un simple tube).
A condition de disposer d'un équipement (et/ou de réflexes suffisamment rapides) permettant de mesurer le laps de temps entre le moment où le son est émis et celui où il revient à l'emplacement source via un écho hors de la surface réfléchissante, vous aurez suffisamment d'informations pour déterminer le la vitesse.
Prenez simplement deux fois la distance de la source à la surface réfléchissante (puisque le son voyage de la source à la surface, puis de nouveau) et le diviser par le temps entre l'émission sonore et écho.
Par exemple, supposons que vous criiez dans un canyon de 200 m de profondeur et que vous receviez un écho en 1,14 seconde. La vitesse du son serait de 2 × 200 / 1,14 = 351 m/s.
Dépasser la vitesse du son
Vous connaissez peut-être le phénomène de certains avions qui franchissent le mur du son. Cela signifie que l'avion vole plus vite que la vitesse du son. Au moment où il dépasse cette vitesse, il crée un bang sonique.
Un avion voyageant à1er marsse déplace à la vitesse du son. Mach 2 est le double de la vitesse du son et ainsi de suite. L'avion le plus rapide au monde était le North American X-15, qui a atteint une vitesse de Mach 6,7 le 3 octobre 1967.
Sur terre, la vitesse du son a été dépassée le 15 octobre 1997 par Andy Green qui a parcouru 763,035 milles à l'heure dans une voiture à réaction ThrustSSC dans le désert de Black Rock au Nevada.
Fréquence et longueur d'onde
La fréquence d'une onde est le nombre d'oscillations qui se produisent en un point donné du milieu par seconde. Elle est mesurée en hertz (Hz) où 1 Hz = 1/s. La longueur d'onde d'une onde sonore est la distance entre deux régions consécutives de compression maximale. Il est généralement mesuré en unités de mètres (m).
La vitesse d'une onde sonore,v,est directement lié à la fréquenceFlongueur d'onde lambda viav = f.
La vitesse du son dans un milieu particulier ne dépend pas de la fréquence ou de la longueur d'onde, mais est plutôt une constante de ce milieu particulier. La fréquence d'une onde sonore correspondra toujours à la fréquence de la source sonore, elle ne dépend donc pas du milieu ou de la vitesse de l'onde.
Ainsi, dans deux supports différents, les fréquences seront les mêmes, tandis que les vitesses seront spécifiques aux supports et les longueurs d'onde varieront en conséquence. (La haute fréquence correspond aux petites longueurs d'onde, et vice versa.)
Les gammes de fréquences qui sont généralement détectables par l'oreille humaine vont de 64 Hz à 23 kHz, bien que les gens aient tendance à perdre leur capacité à entendre les fréquences les plus élevées en vieillissant. En revanche, les chiens peuvent entendre jusqu'à environ 45 kHz (c'est pourquoi ils réagissent aux sifflets des chiens inaudibles pour les humains), les chats peuvent entendre jusqu'à 64 kHz et les marsouins peuvent entendre jusqu'à 150 kHz !
« Dans l'espace, personne ne peut vous entendre crier »
Vous avez sans doute rencontré cette citation du film de 1979Extraterrestre, et c'est vrai: le son ne voyage pas dans le vide. C'est parce qu'il a besoin d'un support. Il doit y avoir du matériel entre la source sonore et vous pour que le son se propage.
Alors toutes ces scènes de batailles spatiales que vous voyez dans les films avec de fortes explosions? Complètement faux! Il n'y aurait pas de son parce qu'il n'y a pas de support pour qu'il voyage.
Intensité sonore et énergie sonore
Intensité sonore,je, est la puissance acoustique par unité de surface. L'unité SI pour l'intensité sonore est le watt/m2 oùje0 = 10-12 W/m2 est considéré comme le seuil de l'audition humaine. Familièrement, l'intensité sonore est ce que nous considérons comme le « volume » d'un son.
Une façon courante de présenter l'intensité sonore perçue consiste à utiliser l'échelle des décibels (dB), où l'intensité sonore est exprimée en décibels :
Cette échelle est utile car les humains ne perçoivent pas le volume de manière linéaire. C'est-à-dire qu'un son avec deux fois plus d'intensité peut sembler plus de deux fois plus fort lorsqu'il a commencé doucement, et moins de deux fois plus fort s'il a déjà commencé un peu fort. L'échelle des décibels fournit des chiffres plus cohérents avec nos perceptions.
Le bruit de la respiration légère atteint environ 10 dB, tandis que la conversation dans un restaurant est d'environ 60 dB. Un survol en jet à 1000 pieds est d'environ 100 dB. Un coup de tonnerre douloureux limite est de 120 dB, et vos tympans se rompent à 150 dB.
L'énergie d'une onde sonore est directement liée à l'intensité. Les unités d'intensité, W/m2, sont les mêmes que J/(sm2) ou énergie en joules par seconde par mètre carré.
Instruments de musique
Rappelons que la vitesse du son ne dépendait que du milieu, et non de la fréquence de l'onde. C'est une bonne chose car sinon écouter un concert serait une expérience terrible, avec différentes notes musicales qui vous parviennent dans le désordre.
Différentes fréquences de son correspondent à différentes hauteurs ou notes de musique. Lorsqu'un chanteur chante, il produit différentes fréquences en modifiant la taille et la forme de son larynx. Les instruments de musique sont conçus pour créer un son de tons purs généralement en créant des ondes stationnaires, que ce soit dans un tube ou un tuyau, ou le long d'une corde.
Considérez un instrument à cordes comme une guitare. La fréquence à laquelle une corde pincée vibre dépend de sa densité de masse (combien de masse par unité de longueur), de la tension de la corde (à quel point elle est tenue) et de sa longueur. Si vous regardez une guitare, vous verrez que chaque corde a une épaisseur différente. Les boutons d'accord au bout du manche vous permettent de régler la tension des cordes et les frettes vous donnent endroits où mettre vos doigts pour modifier les longueurs de cordes pendant que vous jouez, vous permettant de créer de nombreux différents Remarques.
Les bois, en revanche, sont constitués de tubes creux où des ondes stationnaires peuvent être créées dans des colonnes d'air (comme dans votre larynx). Les différents trous de tonalité sur un tel instrument vous permettent de changer les types d'ondes stationnaires qui peuvent se former, et donc de changer les notes qui peuvent être jouées.
Pour un instrument comme un trombone, vous pouvez également ajuster la longueur du tube en déplaçant la glissière d'avant en arrière, ce qui permet de jouer différentes ondes stationnaires de fréquence, et donc différentes notes à jouer.
Les instruments à percussion, tels que les tambours, reposent sur les vibrations d'une membrane (comme une peau de tambour). Tout comme pour pincer les cordes d'une guitare, lorsque vous frappez la peau du tambour à différents endroits, des ondes stationnaires se forment sur la membrane, créant un son. La fréquence et la qualité du son dépendent de la taille de la membrane, de son épaisseur et de sa tension.