SONSProduction et propagation des sons

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La notion de son n'est pas attachée uniquement aux phénomènes aériens responsables de la sensation auditive, mais aussi à tous les autres phénomènes qui sont gouvernés par des principes physiques analogues. C'est ainsi que les perturbations trop « graves » (infrasons) ou trop « aiguës » (ultrasons) pour être perçues par l'oreille humaine sont elles aussi appelées « sons » et que l'on parle de propagation acoustique sous-marine, de propagation acoustique dans les solides (vibrations), etc. L'acoustique, science du son, se distingue de l'optique et des ondes radioélectriques parce que le son est un mouvement ondulatoire mécanique et non une onde électromagnétique.

L'étendue du champ d'intérêt de l'acoustique est immense. D'abord, nous subissons la nature omniprésente du rayonnement mécanique généré par des causes naturelles et par l'activité humaine ; à cette émission sont associées les notions de sensation auditive, de voix humaine, de communication par le canal sonore et toute une variété d'incidences psychologiques. Les domaines tels que la parole, la musique, l'enregistrement et la reproduction des sons, la téléphonie, l'amplification, l'audiologie, l'acoustique architecturale, le contrôle acoustique sont intimement liés à la sensation auditive. Mais le son est aussi un moyen de transport de l'information qui ne fait pas toujours référence à l'oreille humaine ; la communication sous-marine, affectée par les propriétés complexes du milieu de transmission, est le domaine d'étude de prédilection de cet aspect du phénomène sonore. Par ailleurs, un vaste champ d'applications, en recherche fondamentale et en technologie, exploite le fait que la perturbation sonore transmise porte la signature du milieu dans lequel elle se propage et qu'elle contient en conséquence des informations sur ce milieu, ses hétérogénéités, son anisotropie ; un exemple d'application largement répandu de nos jours est celui de la médecine avec l'échographie. Enfin, les effets du son sur les substances et les corps avec lesquels il interagit ouvrent encore un terrain de recherches et d'applications dans de nombreux domaines de la science moderne.

Quelques indications sur l'étendue de l'acoustique et des disciplines auxquelles elle est associée sont données sur le diagramme circulaire de la figure 1.

Le premier anneau à partir du centre contient les subdivisions traditionnelles de l'acoustique et l'anneau extérieur les noms des champs artistiques et techniques qu'elle couvre. Ce schéma résume les courants du savoir et de la technologie en acoustique, sans faire référence aux principes et phénomènes physiques, théories, modèles et méthodes auxquels se réfèrent ces disciplines (acoustique linéaire et non linéaire, théorie des rayons, propagation en milieu inhomogène, diffusion, diffraction, relaxation, phénomènes viscothermiques, etc.).

Historique

L'intérêt porté par l'homme aux phénomènes sonores remonte à la nuit des temps, mais cet intérêt ne fut pas dès l'origine d'ordre scientifique. Les premières recherches concernant les phénomènes sonores datent du vie siècle avant l'ère chrétienne, époque à laquelle l'école pythagoricienne se pencha sur le fonctionnement des cordes vibrantes et construisit une échelle musicale. Par la suite, des réflexions et des observations visant à découvrir la nature du phénomène sonore se sont déroulées sur plusieurs siècles. L'idée que le son est un phénomène de nature ondulatoire naquit de l'observation des ondes à la surface de l'eau. (La notion d'onde peut être définie de façon rudimentaire comme une perturbation oscillatoire qui se propage à partir d'une source.) L'éventualité que le son possède un tel comportement fut énoncée notamment par le philosophe grec Chrysippe (iiie s. av. J.-C.), par l'architecte et ingénieur romain Vitruve (ier s. av. J.-C.) et par le philosophe romain Boèce (ve s. apr. J.-C.). L'interprétation ondulatoire prit corps également dans les réflexions du grec Aristote (ive s. av. J.-C.) qui énonça la génération du mouvement sonore de l'air par une source « poussant vers l'avant l'air contigu de telle manière que le son voyage... ».

Un important résultat expérimental, suggéré par les conclusions auxquelles aboutirent les réflexions menées au cours des dix-sept premiers siècles de notre ère et à la suite des Anciens depuis Pythagore, est que le mouvement de l'air, généré par un corps dont la vibration est la source d'un son musical pur, est également vibratoire et de même fréquence que le mouvement du corps lui-même. L'histoire de cette découverte est jumelée avec le développement des lois de fréquences naturelles des cordes vibrantes et de l'interprétation des consonances musicales. Les principaux rôles dans cette découverte ont été joués par le P. Marin Mersenne (1588-1648), philosophe et scientifique français souvent considéré comme le « père de l'acoustique », et par le célèbre physicien et astronome italien Galileo Galilei (1564-1642), dont les Discours mathématiques concernant deux sciences nouvelles (1638) renferment les discussions sur la notion de fréquence les plus lucides de celles qui avaient été proposées jusqu'alors. L'acoustique, en relation avec le développement de la mécanique dont elle est, sous bien des aspects, une branche, était dorénavant détachée de l'art musical pour devenir une véritable science du phénomène sonore.

Proposée par Mersenne dans son Harmonie universelle (1637), la description de la première détermination absolue de la fréquence d'un son pur audible implique que l'auteur connaissait auparavant la valeur (1/2) du rapport des fréquences de deux cordes vibrantes émettant une note musicale et son octave. L'harmonie des deux notes perçues était alors explicable si le rapport des fréquences oscillatoires de l'air était aussi de 1/2. L'analogie avec les ondes à la surface de l'eau fut renforcée non seulement par l'idée selon laquelle le mouvement de l'air associé à un son musical est oscillatoire, mais aussi par le fait que le son se propage à une vitesse finie. Cette analogie fut également étayée par la connaissance de l'aptitude du son à contourner les obstacles, à diffuser dans toutes les directions à partir de la source, à interférer avec lui-même. Vint encore s'ajouter l'expérience de Robert Boyle (1660) sur le rayonnement sonore d'une petite horloge enfermée dans une cloche de verre où il fit un vide partiel, expérience qui montra la nécessité de la présence d'air pour la production et la transmission du bruit.

Cependant, le point de vue ondulatoire ne fut pas partagé par tout le monde. Le phi [...]

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Lord Rayleigh

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Ramifications de l'acoustique

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Corde : onde transversale

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Écrit par :

  • : professeur d'acoustique à l'université du Maine, Le Mans
  • : professeur honoraire au Conservatoire national des arts et métiers, ancien directeur du laboratoire d'électro-acoustique du Conservatoire national des arts et métiers
  • : compositeur, directeur de recherche au C.N.R.S. (laboratoire de mécanique et d'acoustique, Marseille)

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Pour citer l’article

Michel BRUNEAU, André DIDIER, Jean-Claude RISSET, « SONS - Production et propagation des sons », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/sons-production-et-propagation-des-sons/