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Tout savoir sur les ondes sonores et ultrasonores

Par Yann le 23/01/2018 Ressources > Physique-Chimie > Terminale S > Ondes et phénomènes périodiques > Les Ondes Sonores et Ultrasonores

Source d’une onde sonore ou ultrasonore

Les ondes sonores et ultrasonores sont produites par les vibrations périodiques d’un solide qui successivement comprime et détend la couche d’air avec laquelle il est en contact.

Cette couche d’air comprime puis détend à son tour la couche d’air voisine avant de retrouver son état initial puis le phénomène se produit avec les couches d’air suivantes permettant ainsi la propagation de l’onde.

La fréquence de l’onde ainsi produite correspond à la fréquence de vibration de sa source. Seule la fréquence diffère entre une onde sonore et une ultrasonore.

Fréquences des ondes sonores et ultrasonores

L’oreille humaine n’est en moyenne capable de détecter que les ondes sonores dont la fréquence est supérieure à 20 Hz et inférieure à 20 kHz.

En dessous de 20 Hz, les ondes sont qualifiées d’infrasons et ne sont pas audibles par l’oreille humaine. Au delà de 20 kHz, il s’agit d’ultrasons qui ne peuvent pas non plus être perçus par l’homme.

Ces valeurs ne sont que des moyennes et la sensibilité peut différer d’un individu à l’autre. En particulier la sensibilité peut varier avec l’âge. Notamment avant 18 ans, la plupart des adolescents sont capables d’entendre des ultrasons de faibles fréquences, tandis que l’immense majorité des personnes de plus de 18 ans ne peuvent plus les percevoir.

Bien que les ultrasons ne puissent pas être entendus par l’homme certains animaux comme les chauves souris, les dauphins ou les baleines sont capable de les percevoir.

Vitesse du son

La vitesse du son dépend du milieu qu’il traverse. Dans l’air la vitesse du son est de 340 mètres par seconde.

Cette vitesse est suffisante pour avoir l’impression que le son arrive instantanément à l’oreille lors d’une discussion. Cependant, lors d’une conversation téléphonique avec une personne située en Australie par exemple, on peut avoir l’impression que la personne met du temps à répondre. Cette personne n’est pas plus lente que d’habitude, cependant elle a dû attendre que le son de votre voix

lui arrive aux oreilles avant de pouvoir répondre, et, à votre tour, il faudra attendre que la réponse arrive.

Aussi, la connaissance de la vitesse du son peu permettre de connaitre l’éloignement d’un récepteur par rapport à un émetteur. C’est sur ce principe que fonctionne un sonar, utilisé dans la marine, afin d’éviter les obstacles sous-marin.

De la même manière, il est possible d’évaluer la distance à laquelle on se situe d’un orage. L’éclair donne le signal de départ du son du tonnerre. En comptant le nombre de secondes qui sépare l’éclaire du tonnerre, puis en multipliant par la vitesse du son dans l’air, on détermine la distance de l’orage.

Sons purs et sons complexes

Un son est dit pur s’il n’est composé que d’ondes sonores d’une seule fréquence.

Par contre un son peut aussi être composé d’une combinaison d’ondes sonores de différentes fréquences et dans ce cas on parle de sons « complexes « .

Un diapason a comme caractéristique de produire un son pur, c’est pour cela que l’on peut s’en servir pour s’accorder. La plupart des autres instruments de musique produisent des sons complexes.

Spectre d’un son

En musique, un son est une onde sonore composée d’une somme de sinusoïdes de fréquences et amplitudes variées.

Le spectre d’un son est obtenu en identifiant les ondes de différentes longueurs d’onde qui le constituent et en indiquant leur amplitude. C’est ce qu’on appelle une série de Fourier et se présente sous la forme :   

    \[s(t)=a_{1}\cos(\omega.t)+a_{2}\cos(2.\omega.t)+...+a_{n}\cos(n.\omega.t)\]

ou  

    \[s(t)=a_{1}\sin(\omega.t)+a_{2}\sin(2.\omega.t)+...+a_{n}\sin(n.\omega.t)\]

  • avec ω=2πf la pulsation de chaque signal
  • an l’amplitude de chaque signal

Le spectre peut être représenté sur un diagramme où l’axe des abscisse correspond aux fréquences f (correspondantes aux pulsations ω).

Celui des ordonnées correspond aux amplitudes et où chaque fréquence est représentée par un trait.

Qu'est-ce-que le spectre d'un son ? A gauche, un signal sinusoïdale complexe d’une onde sonore musical. Au milieu un spectre de son pur (onde sinusoïdale simple), et enfin à droite un spectre de son complexe (sinusoïdale similaire à l’image de gauche)

De nombreux logiciels d’acoustique ou de musique utilisent la transformé de Fourier, relation mathématique permettant d’obtenir le spectre sonore à partir de son onde complexe.

Fondamental et harmoniques

Lorsqu’un son est complexe, la plus faible fréquence qu’il comporte est appelée fréquence « fondamentale » et est défini par f dans le calcul précédent. ω est, quant à elle, la pulsation fondamentale. Toutes les autres fréquences (ou pulsation) sont appelées fréquences « harmoniques » et leur fréquence est un multiple de la fondamentale.

Hauteur d’un son

La hauteur d’un son dépend de la fréquence fondamentale : lorsque celle-ci est faible le son est dit grave, tandis que lorsqu’elle est élevée le son est dit aigu.

Timbre d’un son

Le timbre d’un son dépend du nombre d’harmoniques qui accompagnent la fréquence fondamentale ainsi que de leur amplitude. Chaque instrument possède son propre timbre qui le distingue des autres.

Interférences

Ainsi que les ondes lumineuses, les sons sont sujettes aux interférences. Ce phénomène apparaît lorsque deux ondes de même fréquences :

  • sont en phases : les ondes s’additionnent et l’on parle d’interférences constructives
  • Sont en décalage de phase (décalage d’une demi phase) : les ondes s’annulent et l’on parle d’interférences destructives.

Ce phénomène est audible lorsque l’on écoute la radio en voiture, appelé communément parasites.

Le phénomène de battements

Ce phénomène se produit lorsque les fréquences de deux sons sont très proches mais pas identiques, avec un écart de 0,5 à 5 Hz. Dans ce cas les deux ondes se superposent et produisent un son désagréable.

C’est pour cette raison que des notes espacées d’un demi ton peuvent être dissonantes. De la même manière, un orchestre constitué d’instruments doit s’accorder sur la même fréquence avant de produire ensemble de la musique afin d’éviter un phénomène de battement, dissonant à l’oreille des spectateurs.

L’effet Doppler

Cette effet est observé lorsque l’émetteur de l’onde sonore ou ultrasonore est mobile par rapport au récepteur. Ainsi la fréquence de l’onde reçue est différente de celle émise.

Par exemple, ce phénomène est entendu lorsqu’un camion de pompier passe à proximité. Le son parait modifié lorsque le camion est tout proche. En effet lorsque le camion se rapproche, la fréquence de l’onde reçue est plus élevée que celle émise (on va à la rencontre de l’onde), le son est donc perçu plus aigu.

Au contraire, lorsque le camion s’éloigne, la fréquence reçu est moins élevée que celle émise (on « fuit » l’onde), le son est donc perçu plus grave. L’effet est d’autant plus flagrant que le camion est rapide par rapport à la personne qui l’entend.

Effet de résonance avec une onde sonore

Dans le cadre d’onde mécanique, l’exemple de la balançoire permet d’expliquer simplement le phénomène de résonance.

En effet, il n’est possible d’amplifier le mouvement de la balançoire que si l’on imprime un mouvement au moment ou l’amplitude de la balançoire est au plus haut. C’est ce que l’on appelle la résonance. Il faut donc pousser à la même fréquence que celle du mouvement de la balançoire pour pouvoir espérer augmenter son amplitude.

Dans le cadre des ondes sonores, l’exemple de la Castafiore est un des plus connu. Si la Castafiore brise les vitres en chantant c’est que le verre est un matériau pouvant oscillé à une certaine fréquence. En chantant à la fréquence d’oscillation du verre, la Castafiore et le verre entre en résonance. Le chant se prolongeant l’amplitude d’oscillation du verre augmente jusqu’à rompre par manque de souplesse du matériau. Si cela est improbable, cela demeure possible physiquement si les conditions de fréquence sont respectées.

Utilisation des ondes ultrasonores

Echographie classique

l’échographie utilise les ultrasons pour réaliser une image des tissus humains. la sonde est à la fois émettrice et réceptrice d’ultrasons. Le gel utilisé permet la bonne conductibilité des ultrasons, qui ont une vitesse de propagation similaire que dans le corps humain, tout deux composés essentiellement d’eau. La vitesse de propagation des ultrasons étant relativement constante l’image obtenue est nette.

Le principe est le même que pour la plupart des techniques d’imagerie médicale. Les ondes ultrasonores sont émises à une certaine fréquence et intensité par l’émetteur et est renvoyée au récepteur à la rencontre d’obstacle par effet écho. L’ordinateur traduit le signal réceptionné en chaque point de l’espace par un pixel d’intensité lumineuse plus ou moins importante suivant la nature de obstacle et sa distance à la source. Ainsi, l’on obtient une image des tissus mous humain de la zone étudiée.

Echographie à effet Doppler

L’échographie à effet Doppler est utilisée pour étudier le mouvement de certains organes ou fluides (battement cardiaque d’un fœtus, circulation sanguine). Ce type d’échographie est basées sur un échographe classique auquel on ajoute une sonde Doppler qui permet d’évaluer si le fluide se rapproche ou s’éloigne de la sonde. En effet, le fluide renvoi l’onde vers la sonde par effet écho, et donc devient l’émetteur :

  • Si le fluide s’éloigne, la fréquence reçu par la sonde est plus basse que celle émise initialement par l’échographe.
  • Si le fluide se rapproche, la fréquence reçu est plus haute que celle émise.
  • Le différentiel de fréquence permet de connaitre la vitesse de déplacement du fluide ou la fréquence cardiaque d’un fœtus par exemple.

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