Une onde est une perturbation qui se propage d'un endroit à un autre en transportant de l'énergie, sans transporter de matière. Lorsqu'une onde se déplace, les particules du milieu vibrent autour de leur position, mais elles ne voyagent pas avec l'onde.
Il existe deux grandes familles d'ondes.
Les ondes mécaniques ont besoin d'un milieu matériel pour se propager, comme l'air, l'eau ou un solide. Le son, les vagues et les ondes sismiques en sont des exemples.
L'onde d'une goutte d'eau tombée forme des cercles concentriques.
L'onde se déplace mais une balle qui flotte restera au même endroit.
Les ondes électromagnétiques n'ont pas besoin de matière et peuvent se propager dans le vide. Elles comprennent notamment la lumière, les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma.
Parmi les ondes électromagnétiques, nous trouvons :
Les ondes radio permettent la diffusion de la radio, de la télévision, du Wi-Fi, du Bluetooth, du GPS et de la téléphonie mobile.
Les micro-ondes servent aux fours à micro-ondes mais aussi aux communications avec les satellites.
Les ultrasons sont utilisés pour les échographies médicales, le sonar des bateaux et certains capteurs de distance.
Les rayons X permettent d'observer l'intérieur du corps sans intervention chirurgicale.
Les fibres optiques transportent des informations grâce à la lumière sur de très longues distances.
Caractéristiques des ondes
Chaque onde est caractérisée par plusieurs grandeurs physiques.
L'amplitude mesure l'importance de la perturbation.
La fréquence indique le nombre de vibrations par seconde et s'exprime en hertz (Hz).
La longueur d'onde est la distance qui sépare deux points identiques de l'onde.
La vitesse de propagation dépend de la nature de l'onde et du milieu traversé. Le son se propage dans l'air à environ 340 m/s, alors que la lumière se déplace dans le vide à près de 300 000 km/s.
Au cours de leur propagation, les ondes peuvent être réfléchies, comme un écho sur une montagne, réfractées lorsqu'elles passent d'un milieu à un autre,
ou absorbées par certains matériaux qui récupèrent une partie de leur énergie.
Une onde sonore est une onde mécanique produite par la vibration d'un objet. Elle se propage dans un milieu matériel en transportant de l'énergie, mais sans transporter durablement la matière.
Lorsqu'une corde de guitare, une membrane de haut-parleur ou les cordes vocales vibrent, elles mettent en mouvement les particules d'air voisines. Ces particules transmettent ensuite leur mouvement aux particules suivantes, créant ainsi une onde sonore qui se propage dans toutes les directions.
La propagation du son
Contrairement aux vagues à la surface de l'eau, le son est une onde longitudinale. Les particules du milieu vibrent dans la même direction que celle de la propagation de l'onde.
La propagation du son est constituée d'une succession de compressions, où les particules sont rapprochées, et de raréfactions, où elles sont plus espacées. Ces variations de pression se déplacent de proche en proche dans le milieu.
Lorsqu'une personne parle, ses cordes vocales produisent des compressions et des raréfactions de l'air. Ces variations de pression atteignent le tympan, qui se met à vibrer et permet ainsi la perception du son.
Les milieux de propagation
Le son peut se propager dans les gaz, les liquides et les solides, mais sa vitesse dépend des propriétés du milieu.
Dans l'air, le son se propage à environ 340 m/s. Dans l'eau, il atteint environ 1 500 m/s, et dans l'acier il dépasse souvent 5 000 m/s.
C'est pour cette raison que les baleines et les dauphins peuvent communiquer sur plusieurs kilomètres sous l'eau.
La fréquence et la hauteur d'un son
La fréquence d'une onde sonore détermine la hauteur du son.
Une fréquence faible produit un son grave, tandis qu'une fréquence élevée produit un son aigu.
Par exemple, une grosse caisse ou une contrebasse émettent principalement des sons graves, alors qu'un sifflet ou un piccolo produisent des sons beaucoup plus aigus.
L'oreille humaine perçoit généralement les sons compris entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Les infrasons et les ultrasons
Les sons dont la fréquence est inférieure à 20 Hz sont appelés infrasons. Ils sont inaudibles pour l'être humain mais peuvent être perçus par certains animaux, comme les éléphants, qui les utilisent pour communiquer sur plusieurs kilomètres.
Les sons dont la fréquence dépasse 20 000 Hz sont appelés ultrasons. Les chauves-souris les utilisent pour se déplacer dans l'obscurité, tandis que les dauphins s'en servent pour repérer leurs proies.
Les ultrasons sont également employés en médecine pour réaliser des échographies, où les ondes réfléchies par les organes permettent de former une image de l'intérieur du corps. On peut ainsi observer un fœtus, examiner les organes ou guider certains gestes chirurgicaux
Les sonars émettent des ultrasons sous l'eau et analysent leur réflexion pour mesurer la profondeur des océans, détecter des sous-marins ou localiser des bancs de poissons.
Les géologues exploitent enfin la propagation des ondes sismiques pour étudier la structure interne de la Terre, localiser les séismes et rechercher certaines ressources naturelles.
L'amplitude et l'intensité sonore
L'amplitude d'une onde sonore détermine son intensité, c'est-à-dire la sensation de puissance ou de volume sonore.
Une faible amplitude produit un son faible, tandis qu'une grande amplitude produit un son plus fort.
L'intensité sonore se mesure généralement en décibels (dB). Une conversation normale atteint environ 60 dB, une circulation dense environ 80 dB, un concert peut dépasser 110 dB et un avion au décollage peut atteindre environ 130 dB.
Des sons très intenses ou une exposition prolongée au bruit peuvent endommager les cellules de l'oreille interne et provoquer une perte d'audition.
Le timbre d'un son
Deux instruments peuvent jouer exactement la même note avec la même intensité tout en produisant des sons différents. Cette différence est appelée le timbre.
Le timbre dépend de la forme de l'onde sonore et des nombreuses fréquences qui la composent, appelées harmoniques.
C'est ce qui permet de distinguer immédiatement un piano, une guitare, une trompette ou une voix humaine, même lorsqu'ils jouent la même note.
La réflexion des ondes sonores
Lorsqu'une onde sonore rencontre un obstacle, elle peut être réfléchie.
Si l'obstacle est suffisamment éloigné, le son réfléchi revient avec un retard perceptible : c'est l'écho. Lorsqu'une personne crie face à une montagne, elle peut entendre sa propre voix quelques instants plus tard.
Si les réflexions arrivent très rapidement, elles se mélangent au son direct et produisent une réverbération. Une église ou un gymnase possèdent souvent une forte réverbération en raison de leurs grandes surfaces réfléchissantes.
La transmission et l'absorption du son
Les ondes sonores peuvent traverser certains matériaux. Une conversation peut ainsi être entendue à travers une porte ou une cloison, même si une partie de l'énergie est absorbée.
Les rideaux épais, les tapis, les mousses acoustiques et les panneaux isolants absorbent une partie des ondes sonores. Ils réduisent ainsi les échos et limitent la propagation du bruit dans les bâtiments, les studios d'enregistrement ou les salles de spectacle.
Les microphones transforment les vibrations de l'air en signaux électriques, tandis que les haut-parleurs réalisent l'opération inverse en transformant des signaux électriques en vibrations sonores.
La diffraction des ondes sonores
Grâce à leur grande longueur d'onde, les sons contournent facilement les obstacles.
C'est pourquoi on peut entendre une personne parler derrière une porte entrouverte ou derrière un mur, même sans la voir directement. Les sons graves, dont la longueur d'onde est plus grande, sont davantage diffractés que les sons aigus.
L'effet Doppler
Lorsqu'une source sonore se déplace par rapport à un observateur, la fréquence perçue est modifiée : c'est l'effet Doppler.
Lorsque la source se rapproche, les ondes sont comprimées et la fréquence perçue augmente. Le son paraît plus aigu. Lorsqu'elle s'éloigne, les ondes sont étirées, la fréquence diminue et le son devient plus grave.
Ce phénomène est facilement observable lorsqu'une ambulance ou un train passe devant un observateur : la sirène paraît plus aiguë à l'approche, puis plus grave après le passage.
