La physique des ondes couvre une gamme diversifiée de phénomènes, des ondes quotidiennes comme l'eau, à la lumière, au son et même au niveau subatomique, où les ondes décrivent le comportement des particules comme les électrons. Toutes ces vagues présentent des propriétés similaires et ont les mêmes caractéristiques clés qui décrivent leurs formes et leur comportement.

L'une des propriétés les plus intéressantes d'une vague est la capacité de former une "onde stationnaire". En savoir plus sur ce concept dans les termes familiers des ondes sonores vous aide à comprendre le fonctionnement de nombreux instruments de musique, ainsi qu'à jeter des bases importantes lorsque vous en apprendrez plus sur les orbites des électrons en mécanique quantique.
Ondes sonores

Le son est une onde longitudinale, ce qui signifie que l'onde varie dans la même direction qu'elle se déplace. Pour le son, cette variation se présente sous la forme d'une série de compressions (régions de densité accrue) et de raréfactions (régions de densité réduite) dans le milieu à travers lequel il voyage, comme l'air ou un objet solide.

Le fait qu'une onde sonore soit longitudinale signifie que les compressions et les raréfactions frappent votre tympan l'une après l'autre, plutôt que plusieurs «longueurs d'onde» le frappant en même temps. La lumière, en revanche, est une onde transversale, donc la forme d'onde est perpendiculaire à la direction dans laquelle elle se déplace.

Les ondes sonores sont créées par des oscillations, qu'elles proviennent de vos cordes vocales, de la corde vibrante d'une guitare (ou d'autres parties oscillantes d'instruments de musique), un diapason ou une pile de vaisselle s'écraser au sol. Toutes ces sources créent des compressions et des raréfactions correspondantes dans l'air qui les entoure, et cela se déplace sous forme de son (en fonction de l'intensité des ondes de pression).

Ces oscillations doivent voyager à travers une sorte de médium car sinon il ne serait rien pour créer les régions de compression et de raréfaction, et donc le son ne voyage qu'à une vitesse finie. La vitesse du son dans l'air (à 20 degrés Celsius) est d'environ 344 m /s, mais il se déplace en fait à un rythme plus rapide dans les liquides et les solides, avec une vitesse de 1 483 m /s dans l'eau (à 20 C) et 4 512 m /s dans l'acier.
Qu'est-ce que la résonance?

Les vibrations et les oscillations ont généralement ce qui peut être considéré comme une fréquence naturelle, ou fréquence de résonance
. Dans les systèmes mécaniques, la résonance est le nom du renforcement du son ou d'autres vibrations qui se produit lorsque vous appliquez une force périodique à la fréquence de résonance de l'objet.

Essentiellement, en appliquant la force dans le temps avec la fréquence naturelle à laquelle un objet vibre ou oscille, vous pouvez amplifier ou prolonger le mouvement - pensez à pousser un enfant sur une balançoire et à synchroniser vos poussées avec le mouvement existant de la balançoire.

Les fréquences de résonance du son sont fondamentalement les mêmes. Une démonstration classique avec des diapasons montre clairement le concept: deux diapasons identiques sont attachés aux caisses de résonance (qui amplifient essentiellement le son de la même manière que la caisse de résonance d'une guitare acoustique pour l'oscillation de la corde de guitare), et l'un d'eux est frappé avec un maillet en caoutchouc. Cela fait vibrer l'air autour de lui et vous pouvez entendre la hauteur produite par la fréquence naturelle de la fourche.

Mais si vous arrêtez de vibrer la fourche que vous frappez, vous entendrez toujours le même son, juste venant de l'autre fourche. Parce que les deux fourches ont les mêmes fréquences de résonance, le mouvement de l'air provoqué par la vibration de l'air provoquée par la première fourche a également fait vibrer la seconde fourchette.

La fréquence de résonance spécifique pour tout objet donné dépend sur ses propriétés - par exemple, pour une corde, elle dépend de sa tension, de sa masse et de sa longueur.
Ondes sonores stationnaires

Un motif d'onde stationnaire
est lorsqu'une onde oscille mais ne semblent pas bouger. Ceci est en fait causé par la superposition
de deux ou plusieurs vagues, se déplaçant dans des directions différentes mais chacune ayant la même fréquence.

Parce que la fréquence est la même, les crêtes des vagues s'alignent parfaitement, et il y a une interférence constructive - en d'autres termes, les deux ondes sont additionnées et produisent une perturbation plus importante que l'une ou l'autre ne le ferait seule. Cette interférence constructive alterne avec une interférence destructrice - où les deux ondes s'annulent - pour produire le motif d'ondes stationnaires.

Si un son d'une certaine fréquence est créé près d'un tuyau rempli d'air, une onde sonore stationnaire "can be created in the pipe.", 3, [[Cela produit une résonance, qui amplifie le son produit par l'onde d'origine. Ce phénomène sous-tend le fonctionnement de nombreux instruments de musique.
Ondes sonores dans un tuyau ouvert

Pour un tuyau ouvert (c'est-à-dire un tuyau avec des extrémités ouvertes de chaque côté), une onde stationnaire peut se former si le la longueur d'onde du son permet qu'il y ait un antinode
à chaque extrémité. Un noeud
est un point sur une onde stationnaire où aucun mouvement n'a lieu, il reste donc dans sa position de repos, tandis qu'un anti-noeud est un point où il y a le plus de mouvement (l'opposé d'un noeud).

Le modèle d'ondes stationnaires de fréquence la plus basse aura un anti-nœud à chaque extrémité ouverte du tuyau, avec un nœud au milieu. La fréquence à laquelle cela se produit est appelée la fréquence fondamentale ou la première harmonique.

La longueur d'onde associée à cette fréquence fondamentale est 2_L_, où la longueur, L
, fait référence à la longueur du tuyau. Des ondes stationnaires peuvent être créées à des fréquences plus élevées que la fréquence fondamentale, et chacune ajoute un nœud supplémentaire au mouvement. Par exemple, la deuxième harmonique est une onde stationnaire à deux nœuds, la troisième harmonique a trois nœuds et ainsi de suite.

Lorsque la fréquence fondamentale est f
_{1, la fréquence de la n_ième harmonique est donnée par _f
n \u003d nf
1, et sa longueur d'onde est 2_L_ / n
, où L
fait à nouveau référence à la longueur du tuyau.
Ondes sonores dans un tuyau fermé}

Un tuyau fermé est celui dont une extrémité est ouverte et l'autre est fermée, et comme les tuyaux ouverts, ceux-ci peuvent se former une onde stationnaire avec un son d'une fréquence appropriée. Dans ce cas, il peut y avoir une onde stationnaire chaque fois que la longueur d'onde autorise un antinœud à l'extrémité ouverte du tuyau et un nœud à l'extrémité fermée.

Pour un tuyau fermé, le modèle d'onde stationnaire à la fréquence la plus basse ( la fréquence fondamentale ou la première harmonique) n'aura qu'un seul noeud et un anti-noeud. Pour un tuyau fermé de longueur L
, l'onde stationnaire fondamentale est produite lorsque la longueur d'onde est 4_L_.

Encore une fois, il peut y avoir des ondes stationnaires produites à des fréquences plus élevées que la fréquence fondamentale, et celles-ci sont appelés harmoniques. Cependant, seules les harmoniques impaires sont possibles avec un tuyau fermé, mais chacune d'entre elles produit toujours un nombre égal de nœuds et d'antinœuds. La fréquence de la n_ième harmonique est _f
_{n \u003d nf
1, où f
1 est la fréquence fondamentale et n
ne peut être qu'étrange. La longueur d'onde de la n_ième harmonique est 4_L
/ n
, en se souvenant encore que n
doit être un entier impair.
Applications de la résonance des tuyaux ouverts et fermés}

Les applications les plus connues des concepts que vous avez appris sont les instruments de musique, en particulier les instruments à vent comme la clarinette, la flûte et le saxophone. La flûte est un exemple d'un instrument à tuyau ouvert, et donc elle produit des ondes stationnaires et de la résonance quand il y a un antinode aux deux extrémités.

Les clarinettes et les saxophones sont des exemples d'instruments à tuyau fermé, qui produisent de la résonance quand un noeud à l'extrémité fermée (bien qu'il ne soit pas complètement fermé à cause de l'embout buccal, les ondes sonores se reflètent toujours comme si c'était le cas) et un anti-noeud à l'extrémité ouverte.

Bien sûr, les trous sur le réel -les instruments mondiaux compliquent légèrement les choses. Cependant, pour simplifier légèrement la situation, la «longueur effective» du tuyau peut être calculée en fonction de la position du premier trou ouvert ou de la clé. Enfin, la vibration initiale qui conduit à la résonance est produite soit par une anche vibrante, soit par les lèvres du musicien contre l'embouchure.