Les ondes sonores

On désigne par onde la manière dont le son se propage dans le milieu acoustique.

L’onde sonore a une propagation radiale, comme l’onde provoquée par une pierre tombant dans l’eau, mais dans le cas du son, cette propagation radiale est sphérique et non plane. Elle se fait parallèlement à la direction de propagation.

Le fondement naturel de la musique est le son défini comme « les vibrations mécaniques et les ondes d’un milieu élastique dans le champ de fréquences de l’oreille humaine (16-20 000 Hz) ». En dessous de ce domaine se trouvent les infra-sons, au-dessus les ultra-sons.

L’onde peut être démontrée comme une alternance de condensations et de raréfactions des particules.

La longueur d’onde est la distance entre deux pics ou deux creux successifs de la courbe. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence. Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence et haute (le son est aigu), et inversement.

Le son se propage dans l’air par réaction en chaîne des particules d’air mais, comme dans le cas des boules du berceau de Newton, il n’y a pas de mouvement d’ensemble.

vidéo : le son est une onde de pression

Les vibrations sont produites par le mouvement de va-et-vient de particules (dans l’air, l’eau, les corps solides). Si ce mouvement est régulier, la vibration est périodique (tracé du diapason).

Une oscillation est définie par :

— l’élongation (e) : éloignement des particules par rapport à leur position de repos ;

— l’amplitude (a) : élongation maximum ;

— la phase (φ) : constante angulaire d’une oscillation ;

— la période (T) : durée, en secondes, d’une oscillation complète ;

— la fréquence (f) : nombre de périodes par seconde ;

— la longueur d’onde (∆) : distance parcourue par l’onde en une période.

La fréquence, exprimée en hertz (Hz) mesure la hauteur des sons, tandis que l’amplitude détermine leur intensité. Selon le mouvement vibratoire et la direction de la propagation, on distingue :

— les ondes transversales dans les corps solides. Le mouvement vibratoire des particules se fait obliquement par rapport à la direction de propagation (voir tracé du diapason ci-dessus) ;

— les ondes longitudinales avec un mouvement vibratoire des particules dans la direction de propagation :

Les ondes sonores aériennes sont des ondes longitudinales. Un excitateur comprime périodiquement les particules (d’air) et émet l’onde par variation de densité ou de compression.

Si des ondes de même fréquence interfèrent, elles se renforcent quand elles sont en phase.

L’amplitude de l’onde résultante est égale à la somme des amplitudes initiales :

Elles diminuent en décalage de phase :

 et disparaissent dans le cas extrême de l’opposition de phase (φ = 180° et même amplitude) :

Si des ondes de fréquences et d’amplitudes différentes interfèrent, on obtient des formes ondulatoires complexes :

Si deux ondes ayant une petite différence de fréquence interfèrent, on obtient des battements.

L’amplitude de l’onde résultante varie périodiquement comme un vibrato (d’amplitude), ce qui est audible, par exemple, lorsque l’on accorde les instruments à cordes :

Les ondes stationnaires longitudinales et transversales sont produites par l’interférence d’ondes contraires de même longueur et de même amplitude. Elles ont des noeuds de vitesse (N) d’amplitude nulle et des ventres de vitesse (V) d’amplitude maximum. L’écart entre deux noeuds équivaut à une demi-longueur d’onde. Avec les ondes longitudinales, c’est aux noeuds que la densité et la pression varient le plus. Une onde stationnaire s’inverse en permanence entre ses deux extrémités :

Dans une onde amortie, l’amplitude diminue par perte d’énergie due aux frottements et à la transformation en chaleur. L’onde disparaît. Ce moment est appelé extinction de l’onde. Inversement, on obtient une vibration entretenue par un apport d’énergie. Le temps qui s’écoule jusqu’à l’obtention de l’amplitude complète, est appelé phase d’établissement de l’onde. Les phases d’établissement et d’extinction de l’onde sont en partie responsables du timbre. Des ondes qui ont une amplitude constante ne sont pas amorties (son entretenu) :