SONSProduction et propagation des sons

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Émission et propagation du son

Le son est une perturbation d'un milieu matériel élastique. Cette perturbation modifie la pression dans le milieu, et aussi le déplacement et la vitesse des particules du milieu. Les sons se propagent dans les milieux élastiques, qui transmettent l'état de compression ou de dilatation de proche en proche, sans qu'il y ait transport de matière à distance.

Émission

Un son prend naissance dans l'air quand les molécules qui le composent sont mises en mouvement d'une quelconque façon. Ainsi, le va-et-vient périodique d'une membrane de haut-parleur provoque la transmission dans l'air d'ébranlements successifs de compression et de dépression. Les instruments de musique donnent de bons exemples de différents types d'émission sonore. Les cordes d'un violon reçoivent de l'énergie de l'archet qui y entretient des oscillations de relaxation : ces oscillations mettent en vibration la caisse, et les vibrations de la caisse sont rayonnées dans l'atmosphère ; le piano, la harpe, les tambours, les cymbales – et les haut-parleurs – rayonnent également le son par vibration d'une surface solide. Dans le cas de la trompette, le jet d'air émis par les poumons de l'instrumentiste est périodiquement haché par les vibrations de ses lèvres – il s'agit là encore d'oscillations de relaxation, dont la fréquence dépend à la fois de la tension des lèvres de l'instrumentiste et des caractéristiques du tube de la trompette ; les instruments à anche (hautbois, clarinette) et la voix humaine émettant des sons « sonores » ou « voisés » (comme les voyelles usuelles) fonctionnent aussi par interruption quasi périodique d'un jet d'air.

Les caractéristiques plus ou moins directives du rayonnement dépendent à la fois de la source sonore et de la fréquence : généralement, une source donnée est moins directive pour les fréquences graves que pour les fréquences aiguës qu'elle émet.

Propagation et effet des obstacles

Une onde « plane » se propage dans une direction, sans affaiblissement. Une onde « sphérique » se propage dans toutes les directions : s'il n'y a pas de pertes dans le milieu de transmission, l'énergie qu'elle transmet à un récepteur décroît comme l'inverse du carré de la distance, en raison de l'augmentation de la surface.

La vitesse de propagation, ou célérité, d'un son dans un milieu élastique possède une propriété remarquable : elle ne dépend que du milieu considéré et de son état de température et de pression ; elle ne dépend pas du son qui se propage, de sa nature, de sa fréquence ou de son intensité (sauf dans le cas d'ébranlements très violents, comme les explosions). Dans l'air à la température ordinaire, la célérité du son est de l'ordre de 340 m/s.

La propagation des ondes sonores en champ libre est un cas idéal dont on peut se rapprocher dans une « chambre sourde », suffisamment spacieuse et aux parois très absorbantes. Tout objet perturbant cette propagation provoque des phénomènes de réflexion, de réfraction ou de diffraction interprétables en termes de sources secondaires de Huygens.

Comme en optique, il y a réfraction lorsque le son passe d'un milieu à un autre dans lequel la célérité est différente. En acoustique, ce phénomène ne joue pas un grand rôle : une faible proportion seulement de l'énergie du son est réfractée, la plus grande partie étant réfléchie. Mais il est aussi possible que, dans un milieu déterminé, la célérité du son varie d'un point à un autre, en raison par exemple de la présence d'un gradient de température. Alors, la propagation des ondes, au lieu de se faire en ligne droite, est courbée par réfraction, comme dans le cas des mirages optiques. C'est parce que le vent est cause d'une célérité inhomogène qu'il « porte » le son.

L'effet d'un obstacle sur la propagation des sons n'est facile à décrire que pour des sons simples, correspondant à des vibrations sinusoïdales et ayant, dans un milieu donné, une longueur d'onde bien déterminée. Le théorème de Fourier permet en principe de prévoir le comportement d'un son quelconque si l'on connaît le comportement de sons simples, moyennant l'hypothèse de linéarité, généralement valide. Les indications qui suivent, sauf mention du contraire, sont données pour des sons simples.

Le son se réfléchit sur un obstacle rigide et massif dont la dimension est très supérieure à sa longueur d'onde. Comme en optique, l'onde réfléchie paraît émaner d'une « image » de la source sonore. Si un auditeur reçoit l'onde directe et l'onde réfléchie, il entend un écho quand le retard de l'onde réfléchie est suffisant (supérieur à 50 millisecondes). Si la surface de l'obstacle n'est pas dure et rigide, une partie du son peut être absorbée. Ainsi, le son pénètre dans les petits orifices de matériaux poreux : la viscosité de l'air provoque une perte d'énergie sonore sous forme de chaleur. Enfin, on notera qu'un mur n'est pas parfaitement rigide, surtout vis-à-vis des sons de basse fréquence : il se comporte en transmission comme un filtre passe-bas acoustique dont la fréquence de coupure est d'autant plus basse que la masse est plus grande. Il transmet donc en partie les sons, surtout ceux de fréquence grave ; on exprime en décibels sa perte en transmission (variable avec la fréquence). Cependant, les ondes sonores peuvent aussi « contourner » les obstacles, ce qui correspond au phénomène ondulatoire de diffraction. Si la longueur d'onde de la vibration est grande par rapport à l'obstacle, cet obstacle perturbe à peine la propagation. La longueur d'onde des sons audibles varie entre 17 mètres (pour un son de 20 Hz) et 17 millimètres (pour un son de 20 000 Hz) : un obstacle de dimensions intermédiaires peut donc porter « ombre acoustique » sur les sons de fréquence élevée, il peut être « contourné » par les sons de fréquence grave. Les composantes de fréquence élevée d'un son complexe sont le plus facilement arrêtées par des obstacles.

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Lord Rayleigh

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Aciers réfractaires

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Ramifications de l'acoustique

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/