Qu'est-ce qu'un son ? Rappels généraux sur les ondes sonores

Le son est partout dans notre vie. C’est lui qui nous réveille le matin, c’est lui qui nous accompagne dans nos trajets, via nos écouteurs ou la radio de notre voiture. C’est lui enfin qui nous permet de communiquer avec nos semblables. Mais savez-vous vraiment ce qu’est un son ? Quel phénomène physique se cache aussi bien derrière un opéra de Mozart que dans le fracas percutant d’un marteau piqueur ?

Des vibrations de l’air

Le son correspond à des vibrations de molécules qui se propagent dans un milieu (l’air, l’eau, le béton). Le son ne se propage pas dans le vide, oubliez les bruits de laser de Star Wars, c’est du fake ! On va s’intéresser ici au son dans l’air : les ondes sonores sont en fait des tranches de molécules d’air qui vibrent autour d’une position d’équilibre. La vibration d’une molécule correspond à un aller-retour, un va-et-vient continu de la molécule (comme le balancier d’une horloge).

schéma explicatif scientifique d'une onde sonore

La distance maximum que parcourt la molécule dans son mouvement de va-et-vient est appelé amplitude du son. Cette grandeur physique correspond au volume du son. Conséquence : si vous tournez le bouton de volume pour mettre plus fort la musique, les molécules vibrent en se déplacement plus loin de leur position d’équilibre.


LE SAVIEZ-VOUS ?

L’amplitude du son le plus faible que l’oreille humaine peut déceler correspond à un déplacement des molécules de 0.1 ångström, soit un déplacement plus petit que le rayon d’un atome ! C’est dire si notre oreille est précise.


Une autre caractéristique importante du son est la fréquence à laquelle les particules vibrent. Il s’agit tout simplement du nombre d’aller-retours par seconde effectués par la molécule d’air. En terme de perception, la fréquence du son correspond à ce qu’on appelle sa hauteur : si la fréquence est faible, le son sera grave, si la fréquence est forte, le son sera aigu.

  • Le LA 440 Hz par exemple correspond à des molécules d’air qui font 440 aller-retours par seconde !

  • Le son le plus grave que l’oreille humaine peut entendre a une fréquence de 20 Hz, et le son le plus aigu a une fréquence de 20 000 Hz. Ces valeurs varient pour chaque individu (et en particulier en fonction de son âge).

Extrait d'un signal sonore pur variant en fréquence

Le son en équation

Le son le plus simple est le son pur. Un sifflement, un diapason ou encore un violon jouant dans les aigus sont des exemples de sons qui se rapprochent beaucoup du son pur. Dans le cas du son pur, la tranche de molécule d’air vibre régulièrement au cours du temps, comme le balancier d’une horloge. On peut représenter son mouvement dans le temps par une courbe sinusoïde :

Mathématiquement on peut écrire :

equation d'un signal sonore simple
  • 2π · f est la pulsation de l’oscillation. C’est une grandeur inversement proportionnelle à la période (la durée d’un aller-retour, en bleu sur l’image).

  • A est l’amplitude du son.



Syos saxophone bec de saxophone facile à jouer

Les sons complexes

Nous avons vu l’exemple du son pur mais dans la vraie vie les sons sont beaucoup plus compliqués que ça. Une note tenue jouée au saxophone par exemple contient plusieurs fréquences superposées, même si on entend une hauteur bien définie. Un son complexe est toujours la superposition de plusieurs sons purs de fréquence et d’amplitude différentes.

Pour ce genre de son, la fréquence la plus basse est appelée fréquence fondamentale. C’est cette fréquence qui détermine la hauteur de la note que l’on entend. Les autres fréquences sont appelées les harmoniques du son : elles ne vont pas modifier la hauteur du son mais plutôt son timbre.


ET LES SONS QUI NE SONT PAS DES NOTES ?

La plupart des sons n’ont pas de hauteur : on peut penser aux différents sons de la batterie, à celui d’une voiture qui passe dans la rue… Ces sons contiennent en fait toutes les fréquences de manière équivalente. Lorsqu’aucune fréquence n’est plus forte que les autres, on dit que le son est bruité. En revanche, si une fréquence émerge parmi les autres, on entendra une hauteur au son.


En résumé :

  • Le son est un phénomène physique correspondant à la vibration de molécules d’air

  • Il est caractérisé principalement par sa fréquence (hauteur de la note) et son amplitude (volume sonore)

  • Les sons purs comme le diapason n’ont qu’une seule fréquence, mais la plupart des sons sont constitués de la superposition d’une infinité de sons purs.

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