son
(ancien français suen, du latin sonus)
Sensation auditive engendrée par une onde acoustique.
ACOUSTIQUE
Le mot « son » n'est pas sans ambiguïté. D'une part, il désigne toute variation de pression se propageant dans l'air et capable d'impressionner notre oreille (c'est en ce sens que l'on parle de « vitesse du son ») et, d'autre part, parmi ces variations de pression, il désigne spécialement celles qui sont périodiques, les autres étant arbitrairement qualifiées de « bruits ». C'est cette seconde définition que retient en général le physicien.
La transmission des sons
On constate facilement qu'un corps ne peut émettre un son que s'il vibre. Ces vibrations sont des ondes mécaniques, qui affectent la matière ; elles sont transmises, par l'intermédiaire de l'air, au tympan, qui vibre à son tour et communique ses vibrations à la chaîne des osselets, puis à l'oreille interne, où aboutissent les ramifications du nerf auditif.
Le son ne se transmet pas seulement dans l'air, mais, d'une manière générale, dans tous les milieux matériels (solides, liquides ou gaz) ; les ondes qui le composent sont susceptibles de subir des réflexions (phénomène d'écho), des réfractions (transmission à travers une paroi) et des interférences. De par sa nature même, il ne se transmet pas dans le vide, qui, par définition, ne contient aucune matière. La vitesse à laquelle il se propage dépend du milieu : dans l'air à 0 °C, elle est de 331 m/s ; elle augmente, aux températures ordinaires, de 0,6 m/s environ pour une élévation de température de 1 °C. Dans les autres gaz, la vitesse de propagation du son est du même ordre de grandeur (quelques centaines de m/s). Dans les liquides, elle est toujours de l'ordre du km/s : 1 435 m/s dans l'eau à 8 °C. Dans les solides, elle est de quelques km/s (5 km/s pour l'acier).
Les ondes sonores
Si l'absence de matière est un obstacle à la propagation du son, certains matériaux le conduisent très mal. C'est le cas du coton, de la laine ou encore du plomb. D'une manière générale, les corps mous ou poreux ont tendance à être absorbants. On les utilise d'ailleurs pour se protéger du bruit. Ainsi, la paroi de laine de verre sert d'isolant à la fois thermique et phonique. Et lorsque cette dernière n'est pas suffisante, l'insomniaque a recours aux billes de cire, autre matière molle, pour plonger dans les bras de Morphée. À l'inverse, les matières élastiques propagent facilement les sons. L'air, mais aussi l'eau ou l'acier sont de bons corps conducteurs. Leur aptitude à se déformer sous un choc, puis à revenir dans leur position initiale, explique leur capacité à bien transmettre les sons. C'est l'histoire du chêne et du roseau. Sous l'effet d'une force (le vent), l'arbre imposant résiste alors que la frêle tige plie immédiatement. Mais lorsque la force s'accentue, le premier finit par rompre alors que le second continue de plier, sans casser.
Comme le vent dans la fable de La Fontaine, le son est au départ une énergie composée de mouvements et de pressions. Quand un guitariste pince une corde de son instrument, celle-ci se met à vibrer. Cela agite les molécules d'air situées à proximité. Or ces dernières constituent un milieu élastique, comparable à un tapis de billes reliées les unes aux autres par des ressorts. Ainsi, lorsque certaines d'entre elles vibrent, l'ensemble réagit très vite ; peu à peu, l'agitation se propage. On parle d'onde mécanique et plus précisément d'onde sonore lorsque l'oreille peut la capter. Quand la vibration parvient au tympan, ce dernier se met à onduler comme la peau d'un tambour. La vibration est transmise jusqu'à l'oreille interne, dans laquelle se trouve le nerf auditif. Ce dernier transmet l'information au cerveau. Une sensation sonore est alors ressentie.
Cette chaîne de transmission n'est pas immédiate. Le parcours du son demande un certain temps, qui ne dépend ni de l'intensité ni de la nature de la vibration de départ mais uniquement du milieu de propagation. Plus celui-ci est lourd et dense, plus la vitesse sera élevée. Dans l'acier, le son se propage à la vitesse de 5 000 m/s. Dans l'eau, cette vitesse, encore appelée célérité, est d'environ 1 000 m/s. En se déplaçant, l'onde sonore s'atténue. Comme dans tout échange mécanique, une partie de l'énergie de départ est perdue à chaque transmission sous forme de chaleur.
L'écho, le tonnerre
Dans l'air la célérité du son est en moyenne de 340 m/s, ce qui explique les phénomènes d'écho en montagne. Poussez un cri : il va se propager, atteindre la paroi située en face à quelques centaines de mètres, rebondir et revenir jusqu'à vos oreilles. Le temps de cet aller-retour indique la distance parcourue. Si l'écho dure 1 s, la montagne en face est à 170 m de vous. La lumière se propage beaucoup plus rapidement, à la vitesse de 300 000 km/s, et le décalage entre l'éclair et le tonnerre illustre bien le phénomène. Ainsi, pour apprécier la proximité d'un orage, il suffit de compter les secondes, dès qu'un éclair zèbre le ciel, en attendant le grondement sourd. En multipliant le temps d'attente par 340 vous pouvez vous faire une idée assez précise de la distance qui vous sépare de l'orage et donc du temps restant pour vous mettre à l'abri.
Les caractéristiques des sons
Les sons se distinguent entre eux :
– par la hauteur, qualité qui fait distinguer un son grave d'un son aigu. La hauteur d'un son est liée à la fréquence des vibrations de la source sonore. Les sons aigus sont dus aux mouvements vibratoires de fréquence élevée, les sons graves aux mouvements de basse fréquence. Toutefois, l'oreille humaine ne peut percevoir que les sons dont les fréquences sont comprises entre 16 et 16 000 Hz environ, soit une dizaine d'octaves ;
– par l'intensité, qualité qui fait distinguer un son fort d'un son faible. L'intensité est liée à l'amplitude des vibrations sonores. Toutefois, l'oreille ne peut percevoir un son que si cette amplitude a une valeur minimale. L'intensité minimale correspondante s'appelle « seuil d'audibilité ». Si, au contraire, on fait croître progressivement l'amplitude des vibrations sonores, l'audition finit par devenir extrêmement pénible. L'intensité maximale correspondant à la limite du supportable pour l'oreille est appelée « seuil de douleur » ;
– par le timbre, qualité qui fait distinguer deux sons émis par deux instruments différents. Si le son est « musical », au sens acoustique du terme, c'est-à-dire créé par un mouvement vibratoire périodique, on montre qu'il peut être considéré comme la superposition de sons simples harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence d'un son de base appelé « fondamental ». Le timbre d'un son dépend des intensités relatives des différents sons simples harmoniques qui le composent. → acoustique
Les sons purs ou sinusoïdaux
Bruit du tonnerre, cri du bébé ou glissando de violon, l'oreille humaine peut entendre et distinguer une multitude de sons. Physiquement, le plus simple est celui du diapason. Frappée contre une table, l'une de ses branches se met à osciller, excitant les molécules d'air environnantes qui transmettent alors une note unique : le la de la gamme tempérée. Ce son sert de référence. C'est grâce à lui que les musiciens accordent leurs instruments et peuvent jouer ensemble de manière consonante.
Une fois mis en mouvement, le diapason réagit comme le pendule d'une horloge. Il oscille de droite à gauche autour de sa position de repos de manière sinusoïdale. L'onde sonore créée par ses déplacements est de même nature. Sa principale caractéristique est le temps d'un cycle complet : il s'agit de la période de l'onde, égale à 2,27 ms dans le cas du diapason. L'inverse de la période d'une vibration sinusoïdale est sa fréquence : c'est le nombre de vibrations par seconde, exprimé en hertz (Hz). Quelles que soient la manière dont le diapason est excité et l'amplitude de son mouvement, la fréquence de vibration est toujours la même. Elle crée la sensation de hauteur de la note ; l'oreille traduit la fréquence (440 Hz) par un la.
La plupart des instruments peuvent jouer le la. Pourtant, toute oreille un tant soit peu musicale distingue cette note jouée par un violon, un piano ou un trombone à coulisse. Ce qui différencie les trois sensations d'écoute constitue la deuxième caractéristique d'un son après sa fréquence : son timbre. Si le diapason émet une onde purement sinusoïdale, les instruments de musique créent des sons périodiques : leurs oscillations se répètent comme le balancement du pendule, mais leurs mouvements sont plus complexes.
Fondamentale et harmoniques
Le mathématicien Joseph Fourier a démontré, au xixe s., que « les ondes périodiques de fréquence F se décomposent en une somme infinie d'ondes sinusoïdales de fréquences respectives F, 2F, 3F, 4F… ». Du théorème de Fourier, on peut déduire que chaque son est composé d'une onde sinusoïdale de fréquence F, appelée la fondamentale, et d'un ensemble d'ondes sinusoïdales de fréquences multiples (2F, 3F, 4F…), qui constituent ses harmoniques.
La fondamentale donne la sensation de hauteur de la note et permet de distinguer le do du ré ou du mi. Les harmoniques créent le timbre de l'instrument. Selon leur nombre et leur intensité respective, l'oreille reconnaîtra une harpe, un violoncelle ou une flûte traversière.
Toutes les ondes sonores ne sont cependant pas composées d'une fréquence fondamentale et d'harmoniques. Certaines sont apériodiques. Leur hauteur exacte ne peut être appréciée par l'oreille. C'est le cas des bruits irréguliers comme les percussions ou chocs rapides. D'autres sont formées d'éléments multiples ; ainsi l'ambiance sonore de la ville est-elle constituée d'une addition de sons très divers (bruits de moteurs, coups de klaxon, conversations des piétons, etc.).
L'amplitude des sons
Après la fréquence et le timbre, l'intensité est la troisième caractéristique d'un son. Physiquement, il s'agit de l'amplitude des mouvements moléculaires transmettant l'onde sonore. L'oreille traduit cette dimension par une sensation de force (fortissimo, moderato ou pianissimo). L'intensité d'un son n'est pas stable et évolue dans le temps en trois phases. La première est brève et puissante. L'acousticien parle de régime transitoire, le musicien de l'attaque de la note. Selon sa durée et sa forme, le son sera plus ou moins droit. La composition en harmonique de cette période donne sa couleur à la note. Après l'attaque, qui peut durer de 10 à 100 ms, suit un régime stable en niveau et en timbre de plusieurs secondes. Dans une dernière phase, la note s'éteint plus ou moins rapidement ; par exemple, lorsque le pianiste l'étouffe avec la pédale douce ou quand il laisse résonner les cordes.
L'énergie d'un son est le rapport entre sa puissance, qui se mesure en watts, et la surface sur laquelle elle s'applique. L'énergie se mesure donc en watts par centimètre carré (W/cm2). L'oreille humaine ne perçoit pas tous les sons. Certains sont trop faibles pour exciter le tympan. D'autres, trop forts, causent une douleur, voire d'irrémédiables dommages à l'organe auditif. Le champ d'écoute de l'oreille humaine se situe entre ces deux limites ; il correspond à des énergies variant de 10–16 W/cm2 à 10–4 W/cm2, ce qui, concrètement, révèle un rapport de 1 000 milliards entre le premier souffle audible et la limite de tolérance !
