Le son nous entoure. Nous utilisons notre sens du son pour naviguer dans notre environnement, communiquer et profiter de la musique. Mais qu'est-ce que le son? Comment est-il fabriqué et comment se transmet-il d'un endroit à un autre?
Que sont les ondes sonores?

Le son est un type d'onde mécanique ou une oscillation de la matière. Une vague est une perturbation qui se déplace d'un endroit à un autre dans un milieu. La clé ici est que les points dans le médium oscillent en place pendant que la perturbation elle-même se déplace.

Par exemple, considérons une vague faite par une foule lors d'un match de balle. Les fans dans leurs sièges servent de médium de vague. Individuellement, ils se lèvent, lèvent les bras puis se rasseyent - ils oscillent en place. La perturbation, cependant, se propage tout autour du stade.

Les oscillations dans un milieu ont tendance à se présenter sous l'une des deux formes suivantes: les ondes transversales oscillent à angle droit par rapport à la direction du voyage (comme avec le public au stade, ou une onde sur une corde) et les ondes longitudinales oscillent parallèlement au sens de la marche.

Les ondes sonores sont des ondes longitudinales. Lorsqu'une onde sonore se propage à travers un milieu, tel que l'air, elle le fait en faisant vibrer les molécules d'air, ce qui provoque des changements de pression atmosphérique, entraînant des compressions (régions de haute pression) et des raréfactions (régions de basse pression) dans le l'air pendant que la vague se déplace.

Pensez à un ressort jouet comme un Slinky étendu sur une table avec une personne tenant chaque extrémité. Si une personne plume le Slinky vers elle, cela enverra une onde longitudinale le long du Slinky. Vous verrez des régions des bobines Slinky qui sont plus rapprochées (compressions) et plus lâches (raréfactions). Tout point donné dans le Slinky oscille d'avant en arrière lorsque la perturbation se déplace d'un bout à l'autre.

Encore une fois, c'est exactement ce qui se passe avec les ondes sonores dans l'air, ou tout autre support, d'ailleurs .
Comment les ondes sonores sont-elles créées?

Comme pour toute autre onde, les ondes sonores sont créées par une perturbation ou une vibration initiale. Un diapason frappé, par exemple, vibre à une fréquence spécifique. En se déplaçant, il heurte les molécules d'air qui l'entourent, les compressant périodiquement.

Les régions compressées transfèrent également cette énergie aux molécules d'air voisines et la perturbation se déplace dans l'air jusqu'à ce qu'elle atteigne votre oreille, à à quel point il transfère de l'énergie à votre tympan, qui vibrera à la même fréquence - et sera interprété par votre cerveau comme un son.

Lorsque vous parlez, vous vibrez votre larynx (un petit tube creux au sommet de votre trachée), qui à son tour fait vibrer l'air autour de lui, qui propage ensuite l'énergie sonore à l'auditeur. En contractant et en élargissant le tissu de votre larynx ainsi qu'en manipulant les articulateurs de votre bouche (vos lèvres, votre langue et d'autres structures de la bouche), vous pouvez créer des sons différents.

Tous les objets peuvent être des sources sonores qui créent du son de la même manière - en faisant vibrer et en transférant ces vibrations vers un milieu adjacent, tel que l'air.
La vitesse du son

Le son se déplace à une vitesse de v (son dans l'air sec) \u003d 331,4 + 0,6T _{c
où T c
est la température en degrés Celsius. Un jour standard à 20 degrés Celsius (68 degrés Fahrenheit), le son se déplace à environ 343,4 m /s. C'est environ 768 miles par heure!}

La vitesse du son est différente selon les médias. Par exemple, la vitesse à laquelle une onde sonore se déplace dans l'eau peut être supérieure à 1 437 m /s; dans le bois, elle est de 3 850 m /s; et en aluminium, au-delà de 6 320 m /s!

En règle générale, le son se déplace plus rapidement dans les matériaux où les molécules sont plus proches les unes des autres. Il se déplace le plus rapidement dans les solides, le deuxième plus rapidement dans les liquides et le plus lent dans les gaz.
Expérience: Mesurer la vitesse du son

Vous pouvez effectuer une expérience simple pour mesurer la vitesse du son. Pour ce faire, vous aurez besoin d'une source sonore (qui pourrait être un diapason, un coup de main ou votre propre voix), et une surface réfléchissante à une distance connue de la source (comme un mur de falaise solide à plusieurs mètres de devant vous, ou l'extrémité fermée d'un simple tube).

Pourvu que vous ayez un équipement (et /ou des réflexes assez rapides) qui puisse mesurer le laps de temps entre le moment où le son est émis et celui où il revient l'emplacement de la source via un écho de la surface réfléchissante, vous aurez suffisamment d'informations pour déterminer la vitesse.

Prenez simplement deux fois la distance de la source à la surface réfléchissante (puisque le son se déplace de la source à la surface, puis de nouveau) et divisez-le par le temps entre l'émission sonore et l'écho.

Par exemple, supposons que vous criiez dans un canyon de 200 m de profondeur et que vous receviez un écho en 1,14 seconde. La vitesse du son serait de 2 × 200 /1,14 \u003d 351 m /s.
Dépassement de la vitesse du son

Vous connaissez peut-être le phénomène de certains avions qui franchissent le mur du son. Cela signifie que l'avion vole plus vite que la vitesse du son. Au moment où il dépasse cette vitesse, il crée un boom sonore.

Un avion voyageant à Mach 1
se déplace à la vitesse du son. Mach 2 est deux fois la vitesse du son, etc. L'avion le plus rapide au monde était le X-15 nord-américain, qui a atteint une vitesse de Mach 6,7 le 3 octobre 1967.

À terre, la vitesse du son a été brisée le 15 octobre 1997 par Andy Green qui a parcouru 763.035 miles par heure dans une voiture à réaction ThrustSSC dans le désert de Black Rock au Nevada.
Fréquence et longueur d'onde

La fréquence d'une onde est le nombre d'oscillations qui se produisent à un point donné du milieu par seconde. Elle est mesurée en unités de hertz (Hz) où 1 Hz \u003d 1 /s. La longueur d'onde d'une onde sonore est la distance entre deux régions consécutives de compression maximale. Elle est généralement mesurée en unités de mètres (m).

La vitesse d'une onde sonore, v,
est directement liée à la fréquence f
longueur d'onde lambda via v \u003d λf
.

La vitesse du son dans un milieu particulier ne dépend pas de la fréquence ou de la longueur d'onde, mais est plutôt une constante de ce milieu particulier. La fréquence d'une onde sonore correspondra toujours à la fréquence de la source sonore, elle ne dépend donc pas du support ou de la vitesse de l'onde.

Par conséquent, sur deux supports différents, les fréquences seront les mêmes, tandis que les vitesses seront spécifiques aux médiums et les longueurs d'onde varieront en conséquence. (Les hautes fréquences correspondent aux petites longueurs d'onde, et vice versa.)

Les plages de fréquences qui sont généralement détectables par l'oreille humaine vont de 64 Hz à 23 kHz, bien que les gens aient tendance à perdre leur capacité d'entendre les fréquences plus élevées comme ils vieillissent. En revanche, les chiens peuvent entendre jusqu'à environ 45 kHz (c'est pourquoi ils répondent aux sifflets de chien inaudibles pour l'homme), les chats peuvent entendre jusqu'à 64 kHz et les marsouins peuvent entendre jusqu'à 150 kHz!
"Dans l'espace, personne ne peut vous entendre crier"

Vous avez sans aucun doute rencontré cette citation du film de 1979 Alien
, et c'est vrai: le son ne voyage pas dans un vide. C'est parce qu'il a besoin d'un médium. Il doit y avoir du matériel entre la source sonore et vous pour que le son se propage.

Donc, toutes ces scènes de bataille spatiale que vous voyez dans les films avec les fortes explosions? Complètement faux! Il n'y aurait pas de son car il n'y a pas de support pour le traverser.
Intensité sonore et énergie sonore

L'intensité sonore, I
, est la puissance sonore par unité de surface. L'unité SI pour l'intensité sonore est watts /m ^{2 où I _{0
\u003d 10 -12 W /m 2 est considéré comme le seuil d'audition humaine. Familièrement, l'intensité sonore est ce que nous considérons comme la «force» d'un son.}}

Une manière courante de présenter la force perçue du son est d'utiliser l'échelle de décibels (dB), où l'intensité sonore est en décibels \u003d 10_log (I /I _{0) ._}

Cette échelle est utile car les humains ne perçoivent pas le volume de façon linéaire. C'est-à-dire qu'un son avec une intensité deux fois plus élevée peut sembler plus de deux fois plus fort quand il a commencé au calme, et moins de deux fois plus fort s'il a déjà commencé un peu fort. L'échelle des décibels fournit des chiffres plus cohérents avec nos perceptions.

Le son de la lumière respire à environ 10 dB, tandis que la conversation dans un restaurant est d'environ 60 dB. Un survol de jet à 1 000 ft est d'environ 100 dB. Un coup de tonnerre douloureux limite est de 120 dB et votre tympan se rompt à 150 dB.

L'énergie d'une onde sonore est directement liée à l'intensité. Les unités d'intensité, W /m ^{2, sont les mêmes que J /(sm 2) ou l'énergie en joules par seconde par mètre carré.
Instruments de musique}

Rappelons que le la vitesse du son ne dépend que du médium et non de la fréquence de l'onde. C'est une bonne chose car sinon, écouter un concert serait une expérience terrible, avec différentes notes de musique qui vous arriveraient dans le désordre.

Différentes fréquences sonores correspondent à différents hauteurs ou notes de musique. Lorsqu'un chanteur chante, il produit des fréquences différentes en changeant la taille et la forme de son larynx. Les instruments de musique sont conçus pour créer un son de tons purs généralement en créant des ondes stationnaires, que ce soit dans un tube ou une pipe, ou le long d'une corde.

Considérez un instrument à cordes comme une guitare. La fréquence à laquelle une corde pincée vibre dépend de sa densité de masse (combien de masse par unité de longueur), de la tension dans la corde (comment elle est serrée) et de sa longueur. Si vous regardez une guitare, vous verrez que chaque corde a une épaisseur différente. Les boutons d'accord à l'extrémité de la poignée vous permettent d'ajuster la tension des cordes, et les frettes vous permettent de mettre vos doigts pour modifier la longueur des cordes pendant que vous jouez, vous permettant de créer de nombreuses notes différentes.

Les bois, en revanche, sont constitués de tubes creux où des ondes stationnaires peuvent être créées dans des colonnes d'air (tout comme dans votre larynx). Les différents trous de tonalité sur un tel instrument vous permettent de changer les types d'ondes stationnaires qui peuvent se former, et donc de changer les notes qui peuvent être jouées.

Pour un instrument comme un trombone, vous pouvez également régler le tube longueur en déplaçant la diapositive d'avant en arrière, ce qui permet de jouer sur différentes ondes stationnaires et donc sur différentes notes.

Les instruments de percussion, tels que les tambours, reposent sur les vibrations d'une membrane (comme une tête de tambour) . Un peu comme pincer les cordes d'une guitare, lorsque vous frappez la tête de tambour à différents endroits, des ondes stationnaires se forment sur la membrane, créant un son. La fréquence et la qualité du son dépendent de la taille de la membrane, de son épaisseur et de sa tension.