Le son

Le son parcourt environ 343 mètres par seconde dans l’air à 20 °C. Si le tonnerre arrive 3 secondes après l’éclair, la foudre est donc tombée à environ 1 km.

Des ondes de pression dans l’air

Quand la membrane d’un tambour se déplace vers l’extérieur, elle comprime l’air voisin ; quand elle revient, elle laisse une zone de pression un peu plus faible. Ces compressions et dilatations se transmettent de molécule en molécule sous forme d’onde longitudinale. L’air près de ton oreille ne vient pas du tambour : il effectue de minuscules allers-retours tandis que la perturbation de pression avance. OpenStax précise que, pour le son le plus faible qu’une personne puisse entendre, les molécules d’air se déplacent sur une distance inférieure à leur propre diamètre.

À quelle vitesse le son se propage-t-il ?

Un feu d’artifice montre bien que le son met du temps à se propager : l’éclair arrive avant la détonation. OpenStax indique une célérité de 331 m/s dans l’air à 0 °C et de 343 m/s à 20 °C, ainsi qu’une formule pour l’air au niveau de la mer : v = 331 m/s × √(T / 273 K), avec T en kelvins. Dans l’air chaud, les molécules se déplacent plus vite et transmettent la poussée plus rapidement, mais l’effet reste modéré. Passer de 0 °C à 20 °C augmente la célérité de moins de 4 %. La valeur de 343 m/s donne une règle pratique : le son met environ 3 secondes à parcourir un kilomètre. Compter les secondes entre l’éclair et le tonnerre permet donc d’estimer la distance.

Le son se propage plus vite dans les liquides et les solides que dans l’air, car ils sont beaucoup plus difficiles à comprimer. Sa célérité dépend de la rigidité et de la masse volumique du matériau : plus il est rigide, plus le son va vite ; à rigidité comparable, le matériau le moins dense l’emporte. OpenStax donne des valeurs pour de nombreux matériaux. Le caoutchouc se distingue par une faible célérité, car il est très souple.

Hauteur, domaine audible et échos

La fréquence d’un son est perçue comme sa hauteur. Une personne ayant une bonne audition entend généralement d’environ 20 Hz à 20 000 Hz. Au-dessus, on parle d’ultrasons ; en dessous, d’infrasons. Dans le domaine audible, la célérité dépend très peu de la fréquence. OpenStax l’illustre avec une fanfare : si les notes aiguës voyageaient plus vite que les graves, les auditeurs éloignés entendraient une musique désynchronisée. Ce n’est pas le cas.

Le son se réfléchit sur les surfaces dures ; le son qui revient est un écho. Si tu tapes dans tes mains devant une falaise et entends l’écho 2 secondes plus tard, le son a fait un aller-retour : la falaise se trouve donc à 343 × 2 ÷ 2 ≈ 343 m. Les chauves-souris repèrent les insectes grâce aux échos, et l’échographie utilise ceux d’ondes de très haute fréquence à l’intérieur du corps. Comme les longueurs d’onde des sons audibles vont de quelques centimètres à plusieurs mètres, le son contourne aussi les portes et les coins. Tu peux ainsi entendre quelqu’un dans la pièce voisine sans le voir.

Volume sonore et décibels

Le volume sonore perçu dépend de l’intensité de l’onde, c’est-à-dire de la puissance qu’elle transporte par mètre carré. L’oreille couvre une plage immense : le son le plus faible à 1000 Hz a une intensité d’environ 10⁻¹² W/m², tandis qu’un son qui endommage l’audition en quelques secondes est environ 10¹² fois plus intense. Pour éviter des nombres peu pratiques, on utilise l’échelle des décibels : β = 10 log₁₀(I / I₀), avec I₀ = 10⁻¹² W/m². Multiplier l’intensité par 10 ajoute 10 dB ; la doubler ajoute environ 3 dB. OpenStax situe une conversation normale vers 60 dB et un concert de rock très bruyant vers 120 dB, le seuil de douleur. Une note précise que plusieurs organismes publics et sanitaires recommandent de ne pas dépasser 85 dB pendant 8 heures par jour sans protection auditive.