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 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,

Lorsqu'une onde rencontre un obstacle, une surface rugueuse ou un milieu contenant de nombreuses irrégularités, chaque aspérité agit comme une petite source qui renvoie une partie de l'onde dans une direction différente. L'onde incidente est alors répartie dans un grand nombre de directions : on parle de diffusion.

L'énergie n'est plus concentrée dans un seul rayon, mais dispersée autour de l'obstacle.

Plus les irrégularités sont nombreuses ou importantes, plus la diffusion est marquée.

La diffusion des ondes mécaniques

Les ondes mécaniques sont facilement diffusées lorsqu'elles rencontrent des surfaces irrégulières ou des obstacles de tailles variées.

Dans une salle vide aux murs lisses, les ondes sonores sont principalement réfléchies. En revanche, dans une forêt, une foule ou une pièce remplie de meubles, elles sont diffusées dans toutes les directions par les arbres, les personnes ou les objets.

Sous l'eau, les ondes acoustiques utilisées par les sonars sont diffusées par les bancs de poissons, les bulles d'air, les algues ou les irrégularités du fond marin.

Les ondes sismiques sont également diffusées par les nombreuses fractures et les différentes roches présentes dans le sous-sol.

La diffusion des ondes électromagnétiques

La lumière diffusée par une feuille de papier, un mur peint ou un tissu permet de voir ces objets sous tous les angles. Si la lumière n'était pas diffusée, ils seraient invisibles sauf dans une direction bien précise.

Les ondes radio sont diffusées par les bâtiments, les arbres ou le relief, ce qui permet parfois de recevoir un signal même lorsqu'il n'existe pas de liaison directe avec l'émetteur.

Les rayons X et les rayons gamma peuvent également être diffusés lorsqu'ils traversent certains matériaux, ce phénomène étant pris en compte dans les domaines de la radioprotection et de l'imagerie médicale.

Le scattering

Le scattering désigne la diffusion provoquée par de très petites particules, des défauts microscopiques ou des inhomogénéités du milieu dont la taille est comparable ou inférieure à la longueur d'onde.

Chaque particule absorbe momentanément une très faible partie de l'énergie de l'onde puis la réémet dans différentes directions. Lorsqu'un très grand nombre de particules sont présentes, les diffusions individuelles s'additionnent et l'onde est progressivement dispersée dans tout le milieu.

Selon la taille des particules par rapport à la longueur d'onde, plusieurs types de scattering peuvent être distingués.

La diffusion de Rayleigh

La diffusion de Rayleigh se produit lorsque les particules sont beaucoup plus petites que la longueur d'onde.

Les courtes longueurs d'onde sont diffusées beaucoup plus fortement que les grandes. Dans l'atmosphère terrestre, les molécules d'air diffusent davantage la lumière bleue que la lumière rouge. C'est pourquoi le ciel apparaît bleu pendant la journée.

Au lever et au coucher du Soleil, la lumière traverse une plus grande épaisseur d'atmosphère. Une grande partie du bleu est déjà diffusée et il reste principalement les teintes rouges et orangées.

La diffusion de Mie

La diffusion de Mie apparaît lorsque les particules ont une taille voisine de la longueur d'onde.

Dans ce cas, toutes les couleurs sont diffusées de façon assez comparable. Les nuages, composés de fines gouttelettes d'eau, diffusent presque toute la lumière visible avec la même efficacité. Ils apparaissent donc blancs ou gris selon leur épaisseur.

Le brouillard, la fumée ou la poussière produisent également une diffusion de Mie importante.

Les phares automobiles utilisent des faisceaux puissants pour limiter les effets de la diffusion dans le brouillard.

Le scattering Compton

Pour les rayonnements très énergétiques, comme les rayons X ou les rayons gamma, les photons peuvent entrer en collision avec les électrons des atomes.

Lors de cette interaction, le photon change de direction et perd une partie de son énergie. Ce phénomène est appelé diffusion Compton. Il est largement utilisé en physique nucléaire, en astrophysique et en imagerie médicale.

Elle peut également modifier la qualité d'un signal. Les communications radio, les images optiques ou les mesures réalisées par des instruments scientifiques doivent souvent tenir compte des phénomènes de diffusion.