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	Physique - Ondes
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	Sommaire de cette page >>> Son >>> Vitesse >>> Voix >>> Sonar >>> Historique

SON & ACOUSTIQUE

Vibrations sonores: ondes audibles. Leurs fréquences sont relativement basses par rapport à celles des ondes radio ou électromagnétiques: de 0 à 20 kHz.

Vitesse limite du son: 36 km/s.

Voir Échelle des fréquences / Fréquences de la voix

Devinette

Le clocher du village sonne les six coups de 6 heures en 6 secondes. En combien de temps sonnera-t-il les 12 coups de midi ?

Solution

SON

Vibration

Les sons que nous entendons sont simplement des mouvements, des vibrations de l'air.

Onde sonore

Variation de la pression de l'air:

Compression et relâchement exercés sur les molécules de l'air.

Propagation de proche en proche comme les spires d'un ressort.

Sans air, comme dans l'espace, les sons ne se propagent pas. Dans l'espace règne le silence.

Vitesse

Variable selon le support de transmission >>>

Intensité

Le niveau sonore ou intensité est exprimé en décibels - dB

Il s'agit d'une échelle logarithmique.

Car, en particulier, l'audition par l'oreille n'est pas un phénomène linéaire.

Un doublement d'intensité correspond à ajouter 3 dB.

Exemples en dB

Niveau minimum pour l'oreille Feulement des feuilles d'un arbre Conversation intime Conversation à voix haute Niveau moyen dans la rue Tonnerre, outils (perceuse) Avion à réaction Bombe atomique

0 10 30 à 40 60 70 100 110 à 140 210

Voir Décibels

Hauteur

Fréquence du son ou nombre de cycles par secondes. Exprimée en Hertz - Hz

Timbre

Son composé

d'une fréquence de base et

de ses harmoniques – fréquences multiples.

Écho

Son réfléchi sur une surface

Effet miroir.

L'oreille ne peut percevoir l'écho que s'il revient 1/10 s après son émission.

Ce qui correspond à une surface placée à 17 m.

Réverbération

Son réfléchi par de multiples aspérités.

Suite en Ondes sonores (analyse)

VITESSE DU SON
Vitesse	Air: 330 m / s soit 1 million de fois moins vite que la lumière. Air à 20°C : 343 Air à 100°C : 386 Plus la température monte, plus la célérité est grande. En gros: 1 km en 3 secondes (pratique pour estimer la distance à laquelle se trouve un orage). Eau: 1 500 m / s Fonction de la pression dans l'eau et de sa salinité. Acier: 6 000 m / s Pour se souvenir de la tendance: plus le milieu est rigide, plus les ondes sonores vont vite. Diamant: 12 km / s Dans le neutronium des étoiles à neutrons (100 millions de tonnes dans un Apéricube), on ne sait pas calculer la vitesse du son (effets quantiques ?). Sans doute proche de celle de la lumière.

Comparaison

Lumière 300 000 km/s 7,5 tours de l'équateur en 1 seconde.

Sons dans l'eau 1,5 7,5 heures pour un tour de l'équateur.

Sons dans l'air 0,3 1, 5 jour pour un tour de l'équateur.

En 1708, William Derham mesure la vitesse du son:

il observe le tir d'un canon situé à 19 km à partir d'un clocher,

il mesure l'écart de temps entre l'éclair et la détonation du tir d'un canon.

En 1816, Pierre Simon de Laplace (1749-1827) mesure la vitesse du son à 345,9 m/s. Il prédit et vérifie que les conditions particulières de pression et de température de l'air devraient modifier l'élasticité du milieu et modifier la vitesse de propagation du son.

En comptant le nombre de secondes entre l'éclair et le tonnerre, on peut estimer la distance à l'orage en kilomètres en divisant ce nombre par 3.

L'éclair atteint vos yeux instantanément (à 300 000 000 m/s !)

Le son du tonnerre parcourt 1 km toutes les 3 secondes

Si je compte 12 secondes, l'orage se trouve à 12/3 = 4 km

La célérité des sons dans l'eau est fonction de la température, la pression, la salinité...

De sorte que, dans l'eau, les sons épousent des trajectoires sinusoïdales. Le sonar doit s'en accommoder! Les sous-marins en profiter pour se cacher dans des zones non atteintes par les sons.

Première mesure de la vitesse du son dans l'eau

En 1490, Léonard de Vinci (encore lui) a dit que: sur un bateau à l'arrêt, en plongeant une tube dans l'eau et votre oreille à l'autre bout, vous entendrez les bateaux lointains.

En 1687, Isaac Newton s'intéresse au traitement mathématique du son.

En 1826, Daniel Colladon (scientifique suisse) et Charles Sturm (mathématicien français) mesure la vitesse du son dans l'eau du lac de Genève (lac Léman): 1 435 m / s. L'illustration montre l'expérience.

Cette expérience repose sur trois points:

La propagation de la lumière est quasiment instantanée en comparaison à celle du son (300 000 km/s et 1,5 km/s).

Un dispositif ingénieux doit déclencher l'émission de la lumière et la production du son au même instant. On imagine ce dispositif sur l'illustration: le marteau frappe la cloche au moment où la mèche enflammée embrase la poudre.

La personne à l'autre bout déclenche le chronomètre à la vue de la flamme et l'arrête dès réception du son dans le tube. Pour une mesure de 1 435 m/s sur 17 km, il a dû lire: 17 / 1,435 = 11,9 secondes.

Voir Mesures GPS

Principe de la propagation sous l'eau La pression augmente avec la profondeur. Ici, on simplifie en modélisant par tranches pour des pressions différentes. Chaque tranche constitue un milieu d'indice différent. Au passage d'une tranche à la suivante (dioptre), il y a phénomène de réfraction sur les dioptres selon la loi de Snell-Descartes: n sin i = n' sin i' Voici l'allure de la propagation des rayons sonores dans l'eau:

Surface => Source sonore => Vers le fond

Voir	Dioptres en couches Nombre de Mach Vitesse de la lumière Vitesse de l'influx nerveux Vitesse - Glossaire

VOIX
Voix humaine Pour référence: DO au centre du clavier du piano: 262 Hz Attention Échelle logarithmique Voir Ultrason (17 kHz) et jeunes NB: Voix vient du latin VOX, d'où le x final. Contralto est la plus grave des voix de femme, dite aussi alto.

SONAR
Nom	Le nom "Sonar" vient de Sound Navigation and Ranging. Pendant la Première Guerre mondiale, Paul Langevin et Constantin Chilowski mettent au point l'Asdic (Anti-Submarine Detection Investigation Committee), l'ancêtre du sonar . La société Thales Underwater Systems est l'un des experts mondiaux du sonar. Voir TUS à Sophia Antipolis
Principe	Écouter les divers sons qui se propagent dans l'eau, avec des "écouteurs" placés sur: des sous-marins; des navires de guerre – bâtiments de surface; des aéronefs: avions qui larguent des bouées sonar, hélicoptères qui plongent un sonar dans l'eau à l'aide d'un dispositif treuil-câble; de lignes d'écoute fixes posées sur le fond de la mer; etc.
Types	Actif Le sonar émet des sons puissants et il écoute les échos réfléchis par la coque des sous-marins ou des navires (même principe que le radar). Passif Le sonar écoute les sons existants dans l'eau: émis par les sonars des autres, rayonnés par les moteurs des sous-marins ou des navires, ou engendrés par les animaux marins. Voir Deux types de télédétection
Le saviez-vous	L'échographe pour examiner le bébé-fœtus est un sonar à très haute fréquence.
Oreilles du sonar	Les écouteurs des sonars s'appellent des hydrophones. Le sous-marin en compte des centaines, placés à l'avant et sur ses flancs. Ils sont réalisés à partir de matériaux piézo-électriques céramiques ou plastiques qui produisent un courant électrique lorsqu'ils sont comprimés. Ce matériau est pris en sandwich entre: un pavillon assez large pour recueillir la pression des ondes sonores, et une masse importante qui, par son inertie, s'oppose au mouvement imprimé par les ondes sonores. Les céramiques sont alors soumises à une pression au rythme des ondes sonores faisant vibrer le pavillon et émettent un courant électrique modulé en conséquence.
Conception	La complexité de conception d'un SONAR n'est pas de même nature que celle du RADAR. Les sons ne se propagent pas en ligne droite dans l'océan. Il existe des zones d'ombre dans lesquelles les ondes ne vont pas ou n'en sortent pas. Les sons se propagent lentement: Plus de 6 secondes pour un écho à une distance de 10 km. Nécessité d'écouter dans toutes les directions à la fois, un balayage rotatif comme pour le radar prendrait trop de temps. La multiplicité des voies d'écoute (par exemple: 256 directions simultanées) induit la mise en place de grandes puissances de calcul pour réaliser un sonar. L'onde incidente sur les antennes acoustiques est sphérique: Il faut la redresser l'onde en fonction de la forme de l'antenne de réception: introduction de circuits de retardement du signal sur chaque voie. C'est la technique de la formation des voies. Il est relativement facile de déterminer l'angle d'arrivée d'un son. Quoique cela demande des techniques élaborées. Surtout lorsqu'il s'agit de séparer, discriminer, deux échos en provenance de directions proches. Par contre, il est très difficile d'obtenir la distance de la source d'un son: Il faudrait pouvoir déterminer le centre de l'onde sphérique. Il existe bien des télémètres acoustiques dont le principe est proche de celui d'un appareil photo: Il faut alors disposer de plusieurs antennes (en général 3), parfaitement alignées, qui détectent l'arrivée de la même onde sphérique. On mesure les instants d'arrivée de l'onde sur chaque antenne. Un calcul géométrique permet de déterminer le centre de l'onde sphérique. La qualité de la mesure de distance reste néanmoins très médiocre. La méthode la plus courante consiste à prendre son temps (dizaines de minutes): en utilisant plusieurs positions du sous-marin et en procédant à des calculs de triangulation pour reconstituer les figures géométrique permettant de trouver le centre de la sphère sonore. La difficulté technique majeure réside dans le fait de corriger (filtrer) les résultats bruts des mesures.

Voir Sonar actif basse fréquence / Analyse spectrale / Sous-marins / Systèmes expert et sonars / Supercalculateurs / Démodulation

Propagation du son – HISTORIQUE

Otto von Guericke (1602-1686) Expérience sur le son et sa propagation dans l'air et le vide. Dans un pot "vidé" de son air, il entendait encore les sons. Athanasius Kircher (1602-1680) Expérience avec une cloche à vide; le son est toujours perçu. Robert Boyle (1627-1691) Il améliore le vide avec une pompe plus performante et une meilleure étanchéité. Bilan: il observe que l'intensité du son diminue au fur et à mesure que l'air est pompé. L'air est bien le milieu qui permet la transmission du son. ou autre milieu, mais en tout cas pas le vide Robert Hooke (1635-1703) Il établit le lien entre la fréquence de vibration et le son émis. Joseph Sauveur (1653-1716) Il est le fondateur du mot acoustique. Il étude la composition d'une onde composée de deux fréquences différentes et les phénomènes de battements qui en résultent John Wallis (1616-1703) Wallis étudie les ondes stationnaires. Une corde tendue mise en vibration dessine des fuseaux dont la partie renflée forme des ventres – amplitude de vibration maximale, et la partie fixe des nœuds de vibration – points qui restent immobiles. Selon la quantité de fuseaux: Un seul fuseau: le son est engendré par une fréquence pure; c'est une vibration sur le mode fondamental. Plusieurs fuseaux, c'est le mode harmonique; les fréquences sont multiples du fondamental. Lord Rayleigh (1842-1919) En 1877, il lance la théorie moderne de l'acoustique avec son ouvrage: la théorie de la résonance.

Voir Savants des années 1600

Devinette – Solution

Le clocher du village sonne les six coups de 6 heures en 6 secondes. En combien de temps sonnera-t-il les 12 coups de midi ?

Réponse : en 13,2 secondes.

Explication en tableau:

Et la durée du son (dong)? On peut imaginer que la mesure est prise toujours au même moment, par exemple au départ du "dong".

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Merci à Kristus

Voir	Eau Matière Musique Notes de musique Ondes (terminale) Optique Pression Sons de la langue française Ultrason et jeunes
Site	Pour poursuivre cette exploration sur un site didactique et attrayant, et de surcroît, réalisé par un expert, et ancien collègue: NAREVA - Le son et le sonar: les bases. beaucoup d'autres sujets sont abordés sur ce site.
Sites	Systèmes sonar – Principes, fonctionnalités & Performances – Xavier Lurton, Yves Le Gall, Laurent Berger – pdf
Vidéo	Le chant du loup – Antonin Baudry avec François Civil, Omar Sy, Mathieu Kassovitz, … - 2019
Livres	La matière - Bernard Tyburce - Complet tour d'horizon abordable (génial!) 1000 infos sur LES SCIENCES Livre récent (2003) avec une double page aérée par sujet Très simple et agréable pour savoir l'essentiel des sciences. Plus spécialisés, voici des ouvrages publiés par d'anciens collègues qui vous donneront tous les détails permettant la conception des sonars:
Cette page	http://villemin.gerard.free.fr/Scienmod/Son.htm