Le son, phénomène vibratoire : cours de Première

Tu poses la main sur le haut-parleur d'une enceinte pendant qu'elle joue de la musique : tu sens ça trembler. Tu pinces la corde d'une guitare : elle bouge très vite, et le son apparaît. Tu arrêtes la corde avec le doigt : le son s'éteint. Ces trois gestes racontent déjà l'idée centrale de ce chapitre : il n'y a pas de son sans vibration.

Le thème « Son et musique, porteurs d'information » du programme d'enseignement scientifique de Première démarre par cette idée, car elle sert de base à tout le reste : coder un son, comprendre une gamme musicale, expliquer ce que fait une oreille. Le programme précise que les notions de son et de fréquence sont déjà connues des élèves et qu'elles sont remobilisées.¹ Ici, on les reprend donc proprement, avec le vocabulaire du lycée.

Dans ce cours, tu vas apprendre à :

• expliquer comment une source sonore produit un son ;
• décrire comment la vibration voyage dans l'air jusqu'à toi ;
• caractériser un signal sonore par sa période, sa fréquence et son amplitude ;
• relier la vibration reçue par l'oreille à la sensation de son ;
• situer les infrasons par rapport aux sons que nous entendons.

Chaque notion s'appuie sur la précédente. Lis dans l'ordre, puis fais les exercices et le quiz pour vérifier que tu sais refaire les raisonnements seul.

Prenons la corde de guitare. Au repos, elle est tendue en ligne droite : c'est sa position d'équilibre. Quand tu la pinces, tu l'écartes de cette position. Elle revient vers l'équilibre, le dépasse, repart de l'autre côté, et ainsi de suite : elle oscille. C'est exactement la définition d'une vibration.

Ce qui déclenche la vibration peut varier. Les ressources de l'éducation nationale citent par exemple un choc, un frottement ou une variation de pression comme origines possibles.³ Quelques situations pour t'entraîner à reconnaître la cause :

Une corde qui vibre dans la pièce voisine peut être entendue chez toi : quelque chose relie la source à ton oreille. Ce « quelque chose », c'est l'air ambiant. La source met en mouvement l'air qui l'entoure, et la vibration lui est ainsi communiquée.³

Imagine une file de personnes serrées dans un couloir. La première pousse légèrement la deuxième, qui pousse la troisième, et ainsi de suite. Une « bosse » de pression traverse la file, alors qu'aucune personne ne parcourt tout le couloir. Le son fonctionne de façon analogue : ce qui voyage, c'est la perturbation, pas les particules d'air elles-mêmes. Chaque particule d'air se contente d'osciller autour de sa place.

À mesure que l'on s'éloigne de la source, le champ sonore engendré par la vibration s'étend.³ C'est pour cette raison qu'un son semble plus faible quand tu es loin : la perturbation se répartit sur une zone de plus en plus grande.

Pour comparer deux sons de façon objective, on les décrit avec des grandeurs mesurables. Le programme remobilise la notion de fréquence ; voyons ce qu'elle recouvre. Un mouvement vibratoire peut être mesuré en amplitude, en puissance ou valeur efficace par rapport à une référence (en décibels), ou en fréquence (en hertz).⁶

Parmi les vibrations périodiques, la forme sinusoïdale est celle que l'on rencontre le plus souvent.⁶ Un signal périodique peut aussi avoir des créneaux ou des dents de scie, ou un tracé plus irrégulier encore, comme les battements du cœur.⁶ La courbe ci-dessous représente un signal sinusoïdal : la grandeur oscille régulièrement de part et d'autre de zéro, qui joue le rôle de position d'équilibre.

Sur cette courbe, la période se lit comme la distance horizontale entre deux sommets consécutifs (ou deux creux consécutifs), et l'amplitude comme la hauteur d'un sommet au-dessus de l'axe horizontal.

Jusqu'ici, nous avons parlé d'un phénomène physique : une vibration qui se propage. Mais le mot « son » désigne aussi ce que l'on ressent. Les ressources de l'éducation nationale rappellent d'ailleurs que le son est une sensation auditive provoquée par une vibration.³ Entre les deux, l'oreille joue le rôle de traducteur.

Le programme demande de relier la structure des cellules ciliées à la perception de la vibration sonore.¹ Retiens l'enchaînement :

1. une vibration de l'air arrive à l'oreille ;
2. le tympan vibre à son tour ;
3. la vibration est transmise jusqu'à l'oreille interne ;
4. les cellules ciliées réagissent : leurs cils vibrent en résonance ;
5. un message nerveux part vers le cerveau, qui produit la sensation sonore.

Ainsi, une même information circule sous plusieurs formes successives : vibration mécanique, puis message nerveux. C'est un premier exemple de ce que le thème appelle un « porteur d'information ».

Toutes les vibrations de l'air ne sont pas entendues : l'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence va d'environ 20 Hz à 20 000 Hz (20 kHz).¹ Au-dessus de ce domaine, on parle d'ultrasons ; en dessous de 20 Hz, ce sont les infrasons, que nous n'entendons pas.⁴

Les sources naturelles sont nombreuses : tous les phénomènes géophysiques émettent des infrasons, qu'il s'agisse d'éruptions volcaniques, de séismes, de chutes de météorites, de tornades, d'éclairs ou d'aurores boréales.⁴ La houle océanique est une source permanente, avec des ondes d'environ 0,5 Hz.⁴

Il existe aussi des sources artificielles : explosions nucléaires ou chimiques, bang des avions supersoniques, installations industrielles qui mettent l'air en mouvement. Pompes, systèmes de ventilation, générateurs et éoliennes en font partie.⁴

Les infrasons intéressent les chercheurs car ils parcourent de grandes distances. Les stations infrasonores enregistrent en continu et détectent les phénomènes géophysiques cités plus haut.⁴ L'étude de leur signal sert même à renseigner sur l'atmosphère : si l'on connaît la source (une éruption, un séisme), le signal reçu permet de déduire des informations sur les vents stratosphériques.⁴

Pour toi, l'enseignement à retenir est simple : vibration ne veut pas dire audible. Une vibration de l'air est un son au sens physique ; qu'elle soit entendue dépend de sa fréquence et de notre oreille.

Hors des infrasons, retiens deux autres caractéristiques d'un son. Il se décrit par son intensité sonore $I$ : c'est la puissance reçue par unité de surface, en W/m². L'oreille perçoit des intensités très différentes, c'est pourquoi on utilise le niveau d'intensité sonore $L$, exprimé en décibels (dB) sur une échelle logarithmique. Quelques repères : environ 0 dB au seuil d'audition, environ 60 dB pour une conversation, environ 120 dB au seuil de douleur.

Enfin, la fréquence fondamentale d'une corde tendue dépend de trois grandeurs : sa longueur, sa tension et sa masse linéique. Une corde plus courte, plus tendue ou plus légère donne un son plus aigu.