Cause des sensations auditives, due à un mouvement vibratoire.

Propagation du son

Comment la vibration d’une corde, d’un diapason est-elle transmise jusqu’à notre oreille ? Par l’air qui nous entoure. Une expérience classique le montre bien : si l’on dispose une sonnerie électrique dans une cloche à l’intérieur de laquelle on peut faire le vide, tant que la cloche est remplie d’air, le son de la sonnerie est perçu très distinctement (fig. 1). Mais on l’entend de plus en plus faiblement au fur et à mesure que l’on pompe l’air à l’intérieur de la cloche. On en conclut que le son ne peut se propager dans le vide : si forte que soit une explosion sur la Lune, on ne l’entendra jamais de la Terre, Lune et Terre étant séparées par le vide interstellaire. L’absence d’atmosphère sur la Lune fait que deux cosmonautes ne peuvent se parler directement sur la Lune comme sur notre planète.

D’une manière générale, le son, pour se propager, a besoin d’un milieu matériel, c’est-à-dire un milieu :
a) solide (« Œil-de-Faucon » décèle l’approche des cavaliers ennemis en collant l’oreille au sol) ;
b) liquide (tout bruit sur la rive effraie le poisson et déchaîne la colère du pêcheur) ;
c) gazeux (l’air en particulier).

Pour comprendre comment s’effectue cette propagation et pourquoi un milieu matériel est indispensable, imaginons que la source vibrante soit un piston à l’extrémité d’un tube emprisonnant une colonne d’air, qui sera notre milieu de propagation. Nous ne pouvons nous représenter (fig. 2) la colonne d’air qui remplit le tube comme un empilement de tranches d’air que nous numérotons 1, 2, 3, 4, ... (a). Donnons au piston un petit mouvement brusque vers la droite, par exemple (b). La tranche d’air n^o 1 est brutalement comprimée (tous les milieux matériels sont compressibles, l’air en particulier, on le vérifie chaque fois qu’on utilise une pompe à bicyclette). Cette tranche d’air ne peut rester dans cet état. Elle tend à reprendre son volume primitif, mais elle ne peut le faire qu’en comprimant la tranche n^o 2 (c), qui, à son tour, reprendra son volume primitif en comprimant la tranche n^o 3, etc.

On comprend dès lors pourquoi la présence d’un milieu matériel est indispensable. Il est par ailleurs essentiel de remarquer que l’air, qui sert de support à la propagation de la compression initiale, n’est pas entraîné par cette propagation. Tout au plus subit-il, au moment où la perturbation l’atteint, un petit déplacement, égal au déplacement imprimé au piston au départ.

Vitesse de propagation du son

La vitesse à laquelle se propage l’ébranlement initial du piston est la vitesse du son dans l’air. C’est un fait d’expérience courante que la propagation du son dans l’air n’est pas instantanée : l’éclair est perçu bien avant que l’on n’entende le grondement du tonnerre. Les premières mesures de la vitesse de propagation du son à l’air libre datent de 1738. Elles avaient été organisées par l’Académie des sciences. On tirait un coup de canon sur la colline de Montmartre. Des observateurs situés sur les hauteurs de Montlhéry, 23 km plus loin, mesuraient le temps qui s’écoulait entre l’apparition de la lueur de la bouche à feu et l’arrivée du bruit. Ce temps, un peu supérieur à la minute, était en fait la différence entre le temps mis par le son pour parcourir la distance Montmartre-Montlhéry et celui qui est mis par la lumière pour effectuer le même trajet. On admettait alors que la lumière se propageait de manière instantanée (ce que les mesures de la vitesse de la lumière, un siècle et demi plus tard, ont pratiquement confirmé : la lumière mettait un peu moins d’un dix-millième de seconde pour effectuer le trajet des 23 km). D’où la vitesse du son, égale au rapport entre la distance séparant les deux crêtes et le temps mesuré. On éliminait l’influence du vent, en partie, en tirant alternativement le canon de Montmartre et de Montlhéry. Des mesures plus perfectionnées furent reprises par la suite, soit à l’air libre, soit dans des tuyaux, et conduisirent aux résultats suivants.

Tous les sons se propagent à l’air libre à la même vitesse. Dans l’air sec à 0 °C, cette vitesse a pour valeur V₀ = 330,7 mètres par seconde. La vitesse de propagation du son dans l’air est indépendante de la pression et proportionnelle à la racine carrée de la température absolue :

V étant la vitesse à la température absolue T. Le son se propage donc plus vite en été qu’en hiver.

Ces résultats expérimentaux sont conformes aux prévisions théoriques : les lois de la mécanique permettent en effet de montrer que la vitesse de propagation du son dans un fluide (liquide ou gaz) a pour expression χ étant le coefficient de compressibilité adiabatique, et ρ la masse spécifique du fluide. Dans la mesure où l’on peut assimiler l’air à un gaz parfait, on retrouve bien les lois précédentes et l’on calcule : V₀ = 331,4 mètres par seconde. L’accord avec la valeur fournie par l’expérience est donc très bon.

Les liquides sont beaucoup moins compressibles que les gaz, mais par contre ont une masse spécifique plus élevée. Au total, le produit χρ est pour les liquides dix fois supérieur, en gros, à celui des gaz, et la vitesse de propagation du son dans les liquides est toujours de l’ordre du kilomètre par seconde. Pour l’eau douce, par exemple, elle est de 1 435 mètres par seconde à 8 °C. Pour l’eau de mer (plus dense) elle est un peu supérieure (1 504 m/s à 15 °C).