Les sons, qu'ils soient audibles ou non, permettent de communiquer et de mesurer des distances inaccessibles autrement. On met alors à profit les phénomènes d'absorption, de transmission et de réflexion qu'ils subissent lorsqu'ils rencontrent un obstacle.
Les signaux sonores
Le son
Un son correspond à la vibration d'un milieu matériel transmise de proche en proche.
Lorsqu'un haut-parleur émet un son, la vibration de la membrane est transmise aux couches d'air et se transmet de proche en proche.
Émission d'un son par un haut-parleur
On distingue :
- Les sons audibles, car perceptibles par l'oreille humaine
- Les infrasons, trop graves pour l'oreille humaine
- Les ultrasons, trop aigus pour l'oreille humaine
Les éléphants émettent des infrasons pour communiquer.
Les chauves-souris émettent des ultrasons pour se localiser.
La propagation et la perception d'un son
Les conditions de propagation d'un son
Les sons ont besoin de matière pour se propager. Ils peuvent donc être émis dans tous les milieux, sauf le vide. Ainsi, ils peuvent se propager dans les gaz (l'air par exemple), les liquides et les solides.
L'espace étant dénué de matière, aucun son ne peut s'y propager.
La vitesse du son
La vitesse du son dépend de la nature du milieu qu'il traverse. En effet, étant donné que pour se propager dans un milieu les sons mettent en vibration les particules qui le constituent, plus celles-ci sont proches les unes des autres, plus la vitesse du son sera élevée.
Les sons se déplacent donc plus vite dans les solides que dans les liquides, et aussi plus vite dans les liquides que dans les gaz.
Quelques vitesses du son :
| Milieu | Air | Eau | Acier |
|---|---|---|---|
| Vitesse du son (en m/s) | 340 | 1430 | 5200 |
La perception du son
Pour qu'un son soit perçu, il faut qu'il se propage jusqu'au tympan et qu'il lui transmette sa vibration. Le signal nerveux résultant est ensuite décodé par le cerveau.
Propagation d'un son
Les différences de perception entre les personnes proviennent de la sensibilité de l'oreille de chaque personne. Ainsi, les limites entre sons audibles et inaudibles (infrasons et ultrasons) varient légèrement selon les personnes et leur âge.
Les jeunes personnes perçoivent des sons plus aigus que les personnes âgées ne perçoivent pas.
Les phénomènes d'absorption, de transmission et de réflexion
Lorsqu'un son rencontre un obstacle, trois phénomènes peuvent se produire :
- Le son peut être transmis : l'obstacle laisse alors passer le son à travers lui.
- Le son peut être réfléchi : le son rebondit, en quelque sorte, sur l'obstacle et revient vers sa source.
- Le son peut être absorbé : il est alors ni transmis ni réfléchi, mais il se dissipe à l'intérieur de l'obstacle.
Transmission, réflexion et absorption d'un son
En fait, lorsqu'un son rencontre un obstacle, ces trois phénomènes ont lieu, dans des proportions qui dépendent de la nature de l'obstacle.
Lorsqu'un son rencontre un mur en briques, il est transmis à environ 20%, réfléchi à 70% et absorbé à 10%.
Les applications
La mesure de distance
Il est possible d'effectuer des mesures de distances avec des signaux sonores :
Une source sonore émet un son vers un corps qui va le réfléchir, et un récepteur (généralement proche de l'émetteur) détecte ensuite son écho. En connaissant la vitesse du son dans le milieu où il s'est propagé et la durée de cet aller-retour, il devient possible de déterminer la distance séparant l'obstacle et l'ensemble émetteur - récepteur sonore.
Principe de la mesure de distance par écho
Distance entre un ensemble émetteur-récepteur d'ondes et un obstacle réfléchissant
La distance d entre l'ensemble émetteur-récepteur sonore et l'obstacle réfléchissant vaut :
d = \dfrac{c \times \Delta t}{2}
Avec :
- d la distance entre l'ensemble émetteur-récepteur d'ondes et l'obstacle réfléchissant, en mètres (m).
- c la vitesse de propagation de l'onde, en mètres par seconde (m.s-1).
- Δt la durée séparant l'émission de l'onde et la réception de l'écho, en secondes (s).
Lors d'une échographie, on pose une sonde sur le ventre de la patiente. Celle-ci génère des ultrasons qui se transmettent jusqu'au fœtus. Les tissus durs (comme les os) du fœtus vont alors être réfléchis et revenir vers la sonde qui mesure la durée de cet aller-retour.
Échographie
Si la durée mesurée entre le départ et le retour des ultrasons est de 6{,}7 \times 10^{-5} s et qu'on considère que dans le corps de la patiente les ultrasons se propagent à la vitesse de 1\ 500 m/s, la distance entre la sonde et le tissu qui l'a réfléchie est :
d = \dfrac{c \times \Delta t}{2}
d = \dfrac{1\ 500 \times 6{,}7 \times 10^{-5}}{2}
d=0{,}050 m
Soit
d=5{,}0 cm
La communication
Les sons peuvent se propager dans tous les milieux, sauf dans le vide. Ils sont néanmoins assez vite absorbés par la matière et ne peuvent donc pas traverser de grandes distances. Pour pallier cet inconvénient et rendre les communications à longue distance possibles, ces ondes sonores peuvent être codées sous forme de signaux électriques (au moins dans un premier temps), puis transmises aisément sur de longues distances.
En parlant dans un micro, les vibrations de l'air font vibrer la membrane de ce micro, qui traduit alors l'information sonore en signal électrique. Ce signal est ensuite codé en signal radio, ce qui lui permet de traverser rapidement et facilement de grandes distances dans l'air, avant d'être capté par des antennes radio. Une fois reçues, ces ondes radio sont décodées en signaux électriques, qui seront eux-mêmes retranscrits en signaux sonores.
