La production et la propagation des sons sont liées à l’existence d’un mouvement vibratoire. À la source, le milieu est déformé (par un choc, une compression, etc.) et, par suite de son élasticité, la déformation gagne les molécules voisines qui, dérangées de leur position d’équilibre, agissent à leur tour de proche en proche. Le phénomène se produit sans transport de matière. Les particules du milieu entrent en vibration les unes après les autres autour de leur position d’équilibre. La déformation se propage dans le milieu selon une onde. On dit que le son se déplace en ondes sonores ou acoustiques . Une image habituellement donnée pour illustrer ce phénomène est celle des rides se déplaçant sur une nappe d’eau dans laquelle on a jeté une pierre. La distance parcourue par une ride dans l’unité de temps s’appelle la célérité de l’onde; la distance entre deux crêtes ou deux creux successifs s’appelle la longueur d’onde.
La célérité du son dans l’air dépend de la
température. À la température ordinaire, elle est de l’ordre
de 340 m/s. Dans d’autres milieux que l’air, le son se propage à
des vitesses différentes. Ainsi, dans l’eau à la température
ordinaire, elle atteint 1 500 m/s.
Dans le langage courant, on distingue les sons forts et les sons faibles. Cette
distinction est liée à l’amplitude des vibrations de l’air
qui transmet les sons à l’oreille.
Devant la bouche d’une personne parlant normalement la pression de l’air
varie seulement d’un millionième de la pression atmosphérique.
Cela montre la sensibilité de l’organe du sens de l’ouïe.
La propagation des vibrations est en même temps une propagation d’énergie
mécanique. Pour engendrer une sensation sonore
chez une personne jeune, il suffit d’une énergie de 10-16 watt par
centimètre carré.
L’énergie transmise par unité de surface s’appelle l’intensité
de l’onde sonore. Elle peut se mesurer en watt par centimètre carré,
mais on lui préfère une unité moderne: le décibel.
À proprement parler, le décibel
est une unité relative, pour laquelle il faut choisir une intensité
de référence. Par commodité, on prend souvent pour cette
dernière l’intensité correspondant au seuil d’audibilité.
Une conversation normale a alors une intensité d’environ 50 dB à
une distance de quelques mètres.
On constate que plus on est éloigné
de la source, plus faible est l’intensité sonore. Cela vient
de ce que l’énergie totale, à un instant donné, se
propage dans toutes les directions et que, la distance augmentant, elle est
répartie sur des surfaces de plus en plus grandes, ce qui diminue d’autant
l’énergie par unité de surface, c’est-à-dire
l’intensité. Ainsi, pour un milieu illimité, homogène,
l’énergie se retrouve après un certain temps sur une sphère
dont la surface augmente comme le carré de la distance. L’intensité
sonore décroît donc comme l’inverse du carré de la
distance. Cette situation idéale est rarement rencontrée car les
milieux ne sont ni illimités ni bien souvent homogènes. Cette
loi de l’inverse du carré de la distance n’est pas entièrement
satisfaisante car elle néglige une autre cause de diminution de l’énergie
sonore: l’absorption du son et sa transformation en chaleur. Cette absorption
est très grande dans les milieux visqueux. Elle est d’autre part
renforcée par les réflexion, réfraction et diffusion
du son.
Le son, comme les autres phénomènes ondulatoires (lumière),
manifeste les propriétés de réflexion
et de réfraction. Un exemple familier de réflexion est l’écho
produit lorsqu’un son fort et net est émis devant un mur élevé.
Moins évident peut-être est le renforcement du son
dans une salle. En effet l’auditeur reçoit, outre l’onde
directe, les ondes réfléchies sur les murs, le sol et le plafond,
ce qui renforce l’intensité. Cependant le phénomène
peut avoir des aspects négatifs. Les ondes
réfléchies n’arrivent pas simultanément à
l’oreille de l’auditeur, ni en même temps que l’onde directe.
Il y a réverbération
du son, ce qui peut nuire à la compréhension. Il faut alors aménager
la salle, c’est l’objet de l’acoustique architecturale.
La réfraction des sons est moins évidente. Elle peut avoir lieu
lorsque l’onde se propage dans un milieu non homogène où
règne un gradient de température ou de salinité. Elle rend
compte des différences notables d’audibilité à l’air
libre en fonction des conditions météorologiques.
La réflexion et la réfraction du son jouent un rôle capital
dans la méthode de sondage sous-marin utilisant les ondes acoustiques.
Une des propriétés les plus frappantes du son est sa capacité
de contourner les obstacles. C’est une illustration d’une des caractéristiques
générales des ondes: la diffraction. Un exemple
intéressant en est donné par la tête de l’homme.
La théorie et l’expérience montrent qu’un son produit
une plus grande intensité si sa source est située sur la ligne
des oreilles que si elle est placée à la même distance en
avant ou en arrière de la tête. Lorsque les obstacles sont relativement
petits (par exemple, des gouttelettes de brouillard), l’onde est diffusée
dans toutes les directions.
Outre l’intensité, une caractéristique essentielle des sons
est la hauteur. Lorsqu’on
entend successivement deux sons, on distingue instinctivement un son plus aigu
et un son plus grave. La grandeur physique qui correspond à cette qualité
est la fréquence. Cela se voit aisément dans l’étude
des sirènes. Dans ces appareils, la perturbation sonore est créée
par les interruptions brusques d’un filet d’air tombant sur un disque
tournant, percé de trous. Lorsque la vitesse de rotation du disque augmente
(ce qui correspond à une fréquence plus grande), le son est plus
aigu. La relation entre la hauteur et la fréquence du son n’est
cependant pas toujours aussi simple, comme on peut s’en rendre compte avec
la voix humaine et les instruments de
musique. C’est pourquoi il est plus avantageux de se limiter, au départ,
à des sons purs, émis par exemple par un diapason.
Dans une onde sonore purement sinusoïdale, le temps nécessaire à
un cycle complet de variation de la pression s’appelle la période.
L’inverse de la période exprimée en secondes est la fréquence
de la vibration exprimée en hertz. La distance parcourue par l’onde
pendant une période s’appelle la longueur d’onde.
Un des traits importants relatifs aux sons purs
est la différence de sensibilité de l’oreille à
leur égard. Des vibrations de fréquences inférieures à
15 hertz ne produisent aucune sensation sonore. Au-dessus de 20 000 hertz, l’audibilité
des sons disparaît chez la majorité des êtres humains. En
fait, le seuil d’audibilité diminue en fréquence avec l’âge;
il dépend également de l’intensité. Cependant, le
fait important est qu’il existe des fréquences au-delà desquelles,
quelle que soit l’intensité, les ondes acoustiques ne sont pas perçues:
on les appelle ultrasons. Ils jouent un rôle important dans l’acoustique
moderne.
Dans la nature, il y a en fait très peu de sons purs. Les sons réels,
lorsqu’ils sont périodiques, sont des combinaisons plus ou moins
compliquées de sons partiels sinusoïdaux de fréquences définies.
Une ou plusieurs fréquences sont en général prépondérantes
et donnent au son une qualité physiologique particulière: le timbre.