Qu'est ce qu'un son ?

Le son, nous l'avons vu, est partout, et nous nous sommes habitués à sa présence.
Mais comment ce phénomène physique s'explique-t-il ?

a) Ondes sonores

À l'origine du son, il y a une perturbation. Pour qu'un son soit créé, il suffit de deux éléments (bois, métal, eau, air, plastique, roche… tout ce qui est possible et imaginable, en fait !) qui se « perturbent » l'un l'autre ; et de cette perturbation sont générées des vibrations. En simplifiant, un son est une onde qui se propage dans un milieu non vide.

caillou_dans_l_eau — Vaguelettes à la surface de l'eau
— Wikimedia Commons

Pour mieux se le représenter, on peut imaginer un caillou qu'on lâche dans l'eau : des vaguelettes concentriques apparaissent à la surface en s'éloignant du point d'impact (voir photo ci-contre). Dans notre cas, l'objet producteur du son serait le caillou ; le milieu transmetteur, l'eau ; et le son serait l'enchaînement de creux et de bosses à la surface du liquide.
Pour être encore plus précis, imaginons maintenant une cymbale de batterie. Quand on la frappe avec une baguette, elle se met à vibrer très rapidement (il suffit de la toucher pour sentir les vibrations entre ses doigts) et produit un son. Mais comment exactement ?
En vibrant, la cymbale fait des allers-retours extrêmement rapides presque sur place. En partant vers une direction, la cymbale déplace les molécules d'air à sa périphérie, créant une mince zone de surpression. Puis, en repartant l'instant d'après dans la direction opposée, notre cymbale laisse un espace presque vide : une zone de dépression.

Ce qu'on nomme "son", c'est en fait cette succession de surpressions-dépressions qui, telles les vaguelettes à la surface de l'eau, va ensuite se propager dans le milieu.

Dans ce TPE, nous nous intéresserons aux sons du quotidien : ceux qui se propagent dans l'air à la pression atmosphérique (1 013 hPa) et à température ambiante (20°C) ; la vitesse de propagation d'une onde sonore est alors de 340 m.s^-1.

Microphone

Pour la plupart de nos expériences, nous aurons à visualiser ou à analyser informatiquement des sons. Il nous est donc nécessaire de présenter l'outil de mesure du son : le microphone.
Un microphone dynamique est constitué d'une membrane reliée à une bobine conductrice. Sous l'effet des variations de pression portées par une onde sonore, la membrane entre en vibration, entraînant la bobine. Or celle-ci se trouve dans le champ magnétique de l'aimant autour duquel elle s'enroule : un courant électrique naît dans la bobine.
Sans apport électrique extérieur, le microphone convertit donc une onde sonore en courant électrique, dont les variations de tension sont le reflet exact des variations de pression dans l'onde.
Cependant ce signal électrique est inutilisable pour nous humains. Pour pouvoir le visualiser et l'étudier, on utilise soit un ordinateur, soit un oscilloscope branché au microphone.
Le principe du haut-parleur est l'exact inverse de celui du microphone : l'entrée est le signal électrique à tension variable, la sortie est le son produit par la vibration de la membrane.

Cliquer sur l'image pour agrandir
— Wikimedia Commons

Bien ! Nous savons maintenant comment un son se crée, et comment il se propage. Mais il nous faut pouvoir le recueillir, le capter, enregistrer ses caractéristiques.
Dans notre corps humain - et chez la plupart des animaux - l'organe chargé de cette tâche est l'oreille, dont nous ne développerons pas ici le fonctionnement ; en revanche, nous aurons souvent recours au microphone (dont le fonctionement est detaillé dans l'encadré ci-contre).

Dans ce TPE, nous nous intéresserons aux sons du quotidien : ceux qui se propagent dans l'air à la pression atmosphérique (1 013 hPa) et à température ambiante (20°C) ; la vitesse de propagation d'une onde sonore est alors de 340 m.s^-1.

b) Périodicité

Les variations de pression au sein d'une onde sonore se reproduisent presque à l'identique dans le temps. La courbe représentative d'un son est donc périodique.
Or, un mathématicien français du nom de Joseph Fourier publie en 1822 ses travaux, les séries de Fourier, qui permettent l'étude des fonctions périodiques (nous reviendrons sur Fourier de manière plus approndie dans la troisième partie de notre TPE).

On peut distinguer deux types de sons :

- les sons purs composés d'un seul sinus, dont la représentation graphique est une sinusoïde d'équation : y = a*sin(t)
- les sons composés de la somme de deux sinus ou plus, appelés sons complexes ou sons riches : y = a*sin(t) + b*sin(mt) + c*sin(nt) + d*sin(pt)...

On constate que, purs ou riches (ou complexes), les sons sont en effet tous constitués d'un motif périodique qui se reproduit à l'identique dans le temps, la période.

Période — Le motif périodique est représenté en rouge.

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Caractéristiques d'un son