Émission et propagation d'un signal sonore : cours de 2de

Tu parles, tu écoutes de la musique, tu entends un klaxon dans la rue : dans chaque cas, quelque chose a produit un son, ce son a voyagé, puis tes oreilles l'ont reçu. Le programme de seconde demande de comprendre ce trajet en trois temps : l'émission, la propagation et la perception ².

Dans ce cours, tu vas répondre à des questions très concrètes. Qu'est-ce qui vibre quand un son naît ? Pourquoi ne t'entend-on pas dans l'espace, où il n'y a pas d'air ? Est-ce que l'air se déplace de ta bouche jusqu'à l'oreille d'un ami ? Et comment mesurer le temps que met un signal sonore pour parcourir une distance ?

Toucher sa gorge en parlant donne une bonne intuition : tu sens un frémissement. Les cordes vocales vibrent, et cette vibration est transmise à l'air. Pour un haut-parleur, c'est une membrane qui avance et recule ; pour une guitare, c'est une corde, puis la caisse de l'instrument.

La vibration de la source crée dans l'air de petites variations de pression. Une onde sonore naît d'une perturbation suffisamment rapide de la pression de l'air, que ce soit une oscillation ou une simple impulsion ⁴. Un claquement de mains, très bref, produit ainsi un son : c'est une brève variation de pression ⁴.

Imagine un haut-parleur placé sous une cloche d'où l'on retirerait peu à peu l'air : plus il y a de vide autour de lui, moins tu l'entends, même si la membrane continue de bouger. Sans matière autour de la source, il n'y a rien pour transmettre la perturbation.

Dans la vie courante, le milieu est l'air, un fluide qui convient bien à la transmission des sons. Les variations de la pression de l'air constituent le son ⁴. Une vibration mécanique d'un fluide se transmet grâce à la déformation élastique de ce fluide ⁴ : une zone d'air est un peu comprimée, puis elle reprend sa forme en comprimant sa voisine, et ainsi de suite.

Pense à un ressort long posé sur une table. Si tu pousses brusquement une extrémité dans l'axe du ressort, une zone de spires serrées se déplace le long du ressort, alors que chaque spire ne fait qu'un petit va-et-vient autour de sa place. Pour le son, c'est le même principe : des zones un peu plus comprimées et d'autres un peu plus détendues se succèdent dans l'air.

Quand la source vibre, elle met en mouvement les particules voisines. Celles-ci entraînent les suivantes, et la perturbation s'éloigne de la source. Ce mouvement de particules se propage en s'atténuant, car de l'énergie se perd en chemin ².

Pour te représenter la propagation dans l'espace, on peut la comparer aux cercles concentriques qui s'élargissent à la surface de l'eau ². Dans l'air, l'onde s'étend dans toutes les directions autour de la source, un peu comme une série de sphères de plus en plus grandes.

La propagation n'est pas la même partout. Les caractéristiques du milieu et la distance à la source changent ce que l'on reçoit ⁴.

Le vent en est un bon exemple. Le son est moins atténué sous le vent, c'est-à-dire quand il voyage dans le même sens que le vent, car l'onde est portée par celui-ci ⁴. Plus on monte en altitude, plus le vent est rapide dans la couche basse de l'atmosphère. Cette différence de vitesse rabat vers le sol l'onde qui va dans le sens du vent. À l'inverse, une onde qui avance contre le vent est déviée vers le ciel ⁴.

Le son n'arrive pas instantanément. Entre l'instant où la source émet et l'instant où un récepteur reçoit, il s'écoule une durée : le retard. Cette durée de propagation entre l'émission et la réception se mesure, par exemple avec un sondeur ¹.

Au laboratoire, on utilise souvent un oscilloscope. Le signal émis est visualisé sur la voie CH1, et le signal reçu par le récepteur sur la voie CH2 ³. Sur l'écran, les deux courbes sont décalées dans le temps : ce décalage est le retard $\Delta t$ du signal reçu par rapport au signal émis.

Pour comparer des sons, il faut des grandeurs que l'on peut mesurer. Deux d'entre elles, reliées l'une à l'autre, décrivent le niveau sonore : l'intensité acoustique (unité : W/m²) et la pression acoustique (unité : le pascal, Pa) ⁴.

La perception est le dernier maillon de la chaîne. Au programme de seconde, il s'agit d'expliquer simplement comment un son est émis, comment il se propage, puis comment on le perçoit ². L'onde arrive à l'oreille, puis elle est convertie en information que le cerveau interprète comme un son ².

Cette sensation n'existe que pour les êtres vivants capables d'entendre : l'onde sonore doit être perçue, donc la variation de pression doit être suffisamment rapide et répétée ⁴.