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Le son

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Introduction :

Il existe différentes ondes : les ondes sismiques, les ondes électromagnétiques mais aussi les ondes sonores. Le son est par conséquent une onde qui a des propriétés spécifiques que nous allons étudier dans une première partie. Nous appliquerons par la suite ses propriétés à travers l’exemple du sonar.

Les propriétés du son

Le son, une onde mécanique

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Définition

Son :

Le son est une onde mécanique qui se propage grâce à la déformation d’un fluide ou d’un solide : l'air, l'eau, le métal, etc.

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Définition

Onde mécanique :

Une onde mécanique est la propagation d’une perturbation locale et temporaire qui se produit dans un milieu matériel. Une onde transporte de l’énergie sans transporter de matière.

Prenons un exemple pour se représenter ce transport d’énergie sans transport de matière.

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Exemple

Dans une piscine flotte un bouchon. Lorsqu’on jette un ballon dans l’eau, l’énergie cinétique du ballon est transférée au point de contact de l’eau et du ballon et produit une onde. Le bouchon, quant à lui, ne se déplace pas avec l’onde mais effectue un mouvement vertical. Il témoigne par conséquent que l’onde produite dans l’eau n’effectue pas un transport de matière.

Onde dans une piscine

La propagation du son

Comme toutes les ondes, le son est émis par une source, il est reçu par un récepteur et se propage dans un milieu homogène donné.

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Définition

Milieu homogène :

Un milieu homogène est un milieu qui a la même composition et les mêmes caractéristiques en tout point.

Étant par définition une onde mécanique, le son a besoin d’un milieu matériel pour se propager.

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À retenir

Le son ne se propage pas dans le vide.

Suivant le milieu de propagation, le son a une vitesse propre :

  • dans l’air, le son se propage à 340 m/s340\ \text{m/s} ;
  • dans l’eau, le son se propage à 1500 m/s1500\ \text{m/s} ;
  • dans l’acier, le son se propage à 5000 m/s5000\ \text{m/s}.
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À retenir

La vitesse d’un son est égale au rapport de la distance parcourue par le temps mis à la parcourir,

  • vv est la valeur de la vitesse en m/s\text{m/s} (encore noté m.s1\text{m.s}^{-1}) ;
  • dd est la distance parcourue en m\text{m} ;
  • tt est l’intervalle de temps en s\text{s}.

Vitesse, distance et temps

La réflexion du son

Le son est une onde qui se réfléchit lorsqu’elle rencontre un obstacle.
Sa réflexion est plus ou moins importante suivant le matériau qu’elle percute et la forme de celui-ci.
Ainsi, on utilise souvent pour isoler une pièce de musique de la mousse polyuréthane pour sa constitution et sa forme alvéolée. Le matériau absorbe le son tandis que la forme alvéolée de celui-ci offre une plus grande surface d’absorption.

  • La réflexion du son est donc amoindrie.

Ce n’est pas le cas, par exemple, dans une église, où la réflexion du son est audible, par le phénomène de réverbération.

Application des propriétés du son : le sonar

Le fonctionnement d’un sonar

Le sonar est un appareil sous-marin qui permet de détecter des objets immergés, en utilisant les ondes sonores.
Un sonar émet et reçoit continuellement des ondes sonores qui se réfléchissent sur les fonds marins. Lorsqu’il passe au-dessus d’un objet, le temps de réflexion des ondes sonores est alors réduit.
Connaissant la vitesse du son dans l’eau, et le temps de réflexion, le sonar peut en déduire la distance qui le sépare d’un objet immergé.

Le fonctionnement du sonar, ondes sonores

Durant le temps tt total entre l’émission et la réception, l’onde sonore a fait un aller-retour. Elle a parcouru deux fois la distance qui sépare le sonar de l’objet. C’est pourquoi lorsqu’on calcule la distance entre le sonar et l’objet on doit diviser la distance en deux, soit d2\dfrac{d}{2}.

Appliquons maintenant ce principe pour calculer la profondeur de l’eau sur laquelle navigue un bateau équipé d’un sonar.

Calcul de distance avec les ondes sonores

Dans l’eau, les ondes sonores se propagent à une vitesse de 1500 m/s1500\ \text{m/s}.
Le temps de réception des ondes par le sonar du bateau est de 0,04 s0,04\ \text{s}.

Quelle est la distance entre le sonar et le fond de l’eau ?

v=dtd=v×td=1500×0,04=60 m\begin{aligned} v&=\frac dt \ d&=v\times t \ d&=1500\times0,04=60\ \text{m} \end{aligned}

La distance totale parcourue par l’onde est de 60 m60\ \text{m}. Pour obtenir la distance entre le sonar et le fond, on divise donc ce résultat par 22. Soit : 602=30 m\dfrac{60}{2}=30\ \text{m}

Le fond se situe donc à 30 m30\ \text{m} du sonar installé sur le bateau.

  • Ce système permet aux bateaux de connaître les reliefs des fonds marins et de détecter les bancs de poissons.

Conclusion :

Un son est une onde mécanique qui se propage dans un milieu homogène. Contrairement à la lumière, le son ne se propage pas dans le vide.
Sa vitesse dépend du milieu où il se trouve. Ainsi le son se propage plus vite dans l’eau que dans l’air.
Les ondes sonores ont la caractéristique de se réfléchir. Cette propriété a différentes applications : elle est très utilisée par les techniciens du son pour mieux sonoriser les salles de concert mais aussi par les pêcheurs pour scruter les fonds marins.