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.
Lorsqu'une onde rencontre la frontière entre deux milieux, une partie de l'onde peut être réfléchie, une autre peut être transmise dans le second milieu et une troisième partie peut être absorbée par le matériau.
La proportion d'énergie réfléchie, transmise ou absorbée dépend de la nature des deux milieux, de la fréquence de l'onde, de son angle d'incidence et des propriétés du matériau rencontré.
La transmission
La transmission correspond au passage d'une onde d'un milieu à un autre. L'onde continue alors à se propager dans le second milieu en transportant une partie de son énergie.
Selon les milieux traversés, l'onde peut conserver une grande partie de son énergie ou, au contraire, être fortement atténuée. Dans la plupart des cas, la transmission s'accompagne également d'une réflexion et, lorsque la vitesse change, d'une réfraction.
La transmission peut être presque totale, comme la lumière traversant une vitre transparente, ou très faible, comme une onde sonore essayant de traverser un mur épais.
La transmission des ondes mécaniques
Les ondes mécaniques ne peuvent être transmises que si le second milieu est capable de propager la perturbation.
Par exemple, un son passe facilement de l'air à l'eau ou d'une pièce à une autre à travers une cloison, même si une partie de son énergie est réfléchie ou absorbée.
Une vibration se transmet également d'une corde à une autre, d'un rail métallique à un autre ou d'une poutre à une autre lorsqu'elles sont solidement reliées.
Les membranes des microphones transmettent les vibrations sonores jusqu'au capteur.
Les membranes des haut-parleurs transmettent les vibrations à l'air pour produire des sons.
La transmission des ondes électromagnétiques
Les matériaux transparents, comme l'air, l'eau ou le verre, transmettent une grande partie de la lumière visible. Les matériaux translucides, comme le verre dépoli ou certains plastiques, laissent passer la lumière mais la dispersent dans de nombreuses directions. Les matériaux opaques, comme le bois, le métal ou la pierre, ne transmettent pas la lumière visible.
Toutes les ondes électromagnétiques ne traversent cependant pas les mêmes matériaux. Un matériau transparent pour la lumière visible peut être opaque aux ultraviolets ou aux rayons X. À l'inverse, certains matériaux laissent passer les ondes radio mais bloquent la lumière visible.
Les fibres optiques transmettent la lumière sur de très longues distances avec très peu de pertes grâce à un fil de verre plus fin qu'un cheveu.
L'absorption
L'absorption est le phénomène par lequel un matériau capte une partie de l'énergie transportée par une onde. Cette énergie est alors transformée en une autre forme d'énergie, le plus souvent en chaleur.
Plus une onde est absorbée, moins elle transporte d'énergie après avoir traversé le matériau. Son amplitude diminue progressivement, ce qui contribue à son atténuation.
L'absorption des ondes mécaniques
Les matériaux absorbent plus ou moins les vibrations mécaniques selon leur nature.
Les mousses acoustiques, les tapis, les rideaux épais ou les panneaux isolants absorbent une partie importante des ondes sonores. Ils réduisent ainsi les échos et limitent la propagation du bruit.
Les casques antibruit utilisent des matériaux absorbants pour limiter les bruits extérieurs.
À l'inverse, des matériaux durs et lisses comme le béton, le carrelage ou le marbre absorbent peu les sons et les réfléchissent davantage, ce qui augmente la réverbération dans une pièce.
Sous l'eau, une partie des ondes sonores est progressivement absorbée au cours de leur propagation, ce qui limite leur portée malgré la grande vitesse du son dans ce milieu.
L'absorption des ondes électromagnétiques
Les matériaux absorbent également les ondes électromagnétiques de manière très différente selon leur nature et selon la fréquence de l'onde.
Les objets noirs absorbent davantage la lumière visible que les objets blancs et chauffent donc plus rapidement au Soleil.
Les aliments absorbent efficacement les micro-ondes, ce qui provoque leur échauffement dans un four à micro-ondes.
Les ultraviolets sont en partie absorbés par la couche d'ozone, ce qui protège les êtres vivants des rayonnements les plus dangereux.
Les rayons X traversent facilement les tissus mous mais sont davantage absorbés par les os, ce qui permet de réaliser des radiographies.
Les rayons gamma sont fortement absorbés par des matériaux très denses comme le plomb ou le béton, utilisés pour protéger les personnes travaillant à proximité de sources radioactives.
Les coefficients de transmission et d'absorption
Pour décrire le comportement d'un matériau, on utilise souvent un coefficient de transmission et un coefficient d'absorption. Ils indiquent quelle fraction de l'énergie incidente est transmise ou absorbée.
Un verre transparent possède un coefficient de transmission élevé pour la lumière visible. Une mousse acoustique possède un coefficient d'absorption élevé pour les ondes sonores.
Lorsque l'on tient également compte de la réflexion, toute l'énergie de l'onde incidente est répartie entre les trois phénomènes :
