Le son voyage à travers les ondes sonores. Ces ondes traversent non seulement les gaz et les liquides, mais également les solides. L'action de toute onde consiste principalement en un transfert d'énergie. Dans le cas du son, le transfert prend la forme de mouvements infimes au niveau moléculaire.

Dans les gaz et les liquides, une onde sonore déplace les molécules dans le sens de son mouvement, c'est-à-dire dans le sens de la longueur d'onde. Dans les solides, les vibrations sonores des molécules peuvent également se produire dans une direction perpendiculaire à l'onde.

Les ondes sonores partent de leurs sources dans toutes les directions, comme le montre l'image de droite, qui montre une cloche métallique entrant périodiquement en collision avec sa langue. Ces collisions mécaniques font vibrer la cloche. L'énergie des vibrations est transmise aux molécules de l'air ambiant, et celles-ci sont repoussées de la cloche. En conséquence, la pression augmente dans la couche d’air adjacente à la cloche, qui se propage alors par vagues dans toutes les directions à partir de la source.

La vitesse du son est indépendante du volume ou de la tonalité. Tous les sons émis par une radio dans une pièce, qu'ils soient forts ou faibles, aigus ou graves, atteignent l'auditeur en même temps.

La vitesse du son dépend du type de milieu dans lequel il se déplace et de sa température. Dans les gaz, les ondes sonores se propagent lentement car leur structure moléculaire raréfiée offre peu de résistance à la compression. Dans les liquides, la vitesse du son augmente et dans les solides, elle devient encore plus rapide, comme le montre le diagramme ci-dessous en mètres par seconde (m/s).

Chemin des vagues

Les ondes sonores se propagent dans l’air d’une manière similaire à celle illustrée dans les diagrammes de droite. Les fronts d'ondes se déplacent depuis la source à une certaine distance les uns des autres, déterminée par la fréquence des vibrations de la cloche. La fréquence d'une onde sonore est déterminée en comptant le nombre de fronts d'onde passant par un point donné par unité de temps.

Le front d’onde sonore s’éloigne de la cloche vibrante.

Dans un air uniformément chauffé, le son se propage à une vitesse constante.

Le deuxième front suit le premier à une distance égale à la longueur d'onde.

L'intensité sonore est maximale à proximité de la source.

Représentation graphique d'une onde invisible

Sondage des profondeurs

Un faisceau d’ondes sonores d’un sonar traverse facilement l’eau de l’océan. Le principe du sonar repose sur le fait que les ondes sonores sont réfléchies par le fond de l'océan ; Cet appareil est généralement utilisé pour déterminer les caractéristiques du terrain sous-marin.

Solides élastiques

Le son voyage dans une plaque de bois. Les molécules de la plupart des solides sont liées dans un réseau spatial élastique, qui est mal compressé et accélère en même temps le passage des ondes sonores.

Les lois fondamentales de la propagation du son comprennent les lois de sa réflexion et de sa réfraction aux frontières de divers milieux, ainsi que la diffraction du son et sa diffusion en présence d'obstacles et d'inhomogénéités dans le milieu et aux interfaces entre milieux.

La plage de propagation du son est influencée par le facteur d'absorption acoustique, c'est-à-dire la transition irréversible de l'énergie des ondes sonores vers d'autres types d'énergie, en particulier la chaleur. Un facteur important est également la direction du rayonnement et la vitesse de propagation du son, qui dépendent du milieu et de son état spécifique.

A partir d'une source sonore, les ondes acoustiques se propagent dans toutes les directions. Si une onde sonore traverse un trou relativement petit, elle se propage dans toutes les directions et ne se propage pas dans un faisceau dirigé. Par exemple, les bruits de la rue pénétrant par une fenêtre ouverte dans une pièce sont entendus partout, et pas seulement en face de la fenêtre.

La nature de la propagation des ondes sonores à proximité d'un obstacle dépend du rapport entre la taille de l'obstacle et la longueur d'onde. Si la taille de l’obstacle est petite par rapport à la longueur d’onde, alors l’onde contourne cet obstacle et se propage dans toutes les directions.

Les ondes sonores, pénétrant d'un milieu à un autre, s'écartent de leur direction initiale, c'est-à-dire qu'elles sont réfractées. L'angle de réfraction peut être supérieur ou inférieur à l'angle d'incidence. Cela dépend du milieu dans lequel le son pénètre. Si la vitesse du son dans le deuxième milieu est plus grande, alors l'angle de réfraction sera supérieur à l'angle d'incidence, et vice versa.

Lorsqu'ils rencontrent un obstacle sur leur chemin, les ondes sonores en sont réfléchies selon une règle strictement définie - l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence - la notion d'écho y est liée. Si le son est réfléchi par plusieurs surfaces situées à des distances différentes, plusieurs échos se produisent.

Le son se propage sous la forme d’une onde sphérique divergente qui remplit un volume de plus en plus grand. À mesure que la distance augmente, les vibrations des particules du milieu s'affaiblissent et le son se dissipe. On sait que pour augmenter la portée de transmission, le son doit être concentré dans une direction donnée. Lorsque nous voulons, par exemple, être entendus, nous mettons nos paumes à la bouche ou utilisons un mégaphone.

La diffraction, c'est-à-dire la courbure des rayons sonores, a une grande influence sur la plage de propagation du son. Plus le milieu est hétérogène, plus le faisceau sonore est courbé et, par conséquent, plus la plage de propagation du son est courte.

Propagation du son

Les ondes sonores peuvent se propager dans l’air, les gaz, les liquides et les solides. Les vagues ne naissent pas dans un espace sans air. Ceci est facile à vérifier par une simple expérience. Si une cloche électrique est placée sous un bouchon hermétique dont l’air a été évacué, on n’entendra aucun son. Mais dès que le bouchon est rempli d’air, un son se fait entendre.

La vitesse de propagation des mouvements oscillatoires de particule à particule dépend du milieu. Dans les temps anciens, les guerriers mettaient leurs oreilles au sol et détectaient ainsi la cavalerie ennemie bien plus tôt qu'elle n'apparaissait en vue. Et le célèbre scientifique Léonard de Vinci écrivait au XVe siècle : « Si vous, étant en mer, abaissez le trou d'un tuyau dans l'eau et portez l'autre extrémité à votre oreille, vous entendrez le bruit des navires très éloigné de toi. »

La vitesse du son dans l'air a été mesurée pour la première fois au XVIIe siècle par l'Académie des sciences de Milan. Un canon était installé sur l'une des collines et un poste d'observation était situé sur l'autre. L'heure a été enregistrée à la fois au moment de la prise de vue (par flash) et au moment de la réception du son. En fonction de la distance entre le point d'observation et le canon et de l'heure d'origine du signal, la vitesse de propagation du son n'était plus difficile à calculer. Cela s'est avéré égal à 330 mètres par seconde.

La vitesse du son dans l'eau a été mesurée pour la première fois en 1827 sur le lac Léman. Les deux bateaux étaient situés à 13 847 mètres l’un de l’autre. Sur le premier, une cloche était accrochée sous le fond, et sur le second, un simple hydrophone (corne) était descendu dans l'eau. Sur le premier bateau, de la poudre à canon a été incendiée en même temps que la cloche a été sonnée ; sur le second, l'observateur a déclenché le chronomètre au moment de l'éclair et a commencé à attendre l'arrivée du signal sonore de la cloche. Il s'est avéré que le son se propage plus de 4 fois plus vite dans l'eau que dans l'air, c'est-à-dire à une vitesse de 1450 mètres par seconde.

Vitesse du son

Plus l'élasticité du milieu est élevée, plus la vitesse est grande : dans le caoutchouc 50, dans l'air 330, dans l'eau 1450 et dans l'acier - 5000 mètres par seconde. Si nous, qui étions à Moscou, pouvions crier si fort que le son atteignait Saint-Pétersbourg, alors nous y serions entendus seulement après une demi-heure, et si le son se propageait sur la même distance dans l'acier, alors il serait reçu dans deux minutes.

La vitesse de propagation du son est influencée par l'état du même milieu. Quand nous disons que le son se propage dans l’eau à une vitesse de 1 450 mètres par seconde, cela ne veut pas dire que cela se produit dans n’importe quelle eau et dans n’importe quelles conditions. Avec l'augmentation de la température et de la salinité de l'eau, ainsi qu'avec l'augmentation de la profondeur, et donc de la pression hydrostatique, la vitesse du son augmente. Ou prenons l'acier. Ici aussi, la vitesse du son dépend à la fois de la température et de la composition qualitative de l'acier : plus il contient de carbone, plus il est dur et plus le son y voyage rapidement.

Lorsqu'ils rencontrent un obstacle sur leur chemin, les ondes sonores s'en réfléchissent selon une règle strictement définie : l'angle de réflexion est égal à l'angle d'incidence. Les ondes sonores provenant de l’air seront presque entièrement réfléchies vers le haut depuis la surface de l’eau, et les ondes sonores provenant d’une source située dans l’eau seront réfléchies vers le bas.

Les ondes sonores, pénétrant d'un milieu à un autre, s'écartent de leur position d'origine, c'est-à-dire réfracté. L'angle de réfraction peut être supérieur ou inférieur à l'angle d'incidence. Cela dépend du milieu dans lequel le son pénètre. Si la vitesse du son dans le deuxième milieu est supérieure à celle du premier, alors l'angle de réfraction sera supérieur à l'angle d'incidence et vice versa.

Dans l’air, les ondes sonores se propagent sous la forme d’une onde sphérique divergente, qui remplit un volume de plus en plus grand, à mesure que les vibrations des particules provoquées par les sources sonores sont transmises à la masse d’air. Cependant, à mesure que la distance augmente, les vibrations des particules s’affaiblissent. On sait que pour augmenter la portée de transmission, le son doit être concentré dans une direction donnée. Lorsque nous voulons être mieux entendus, nous mettons nos paumes à la bouche ou utilisons un mégaphone. Dans ce cas, le son sera moins atténué et les ondes sonores se propageront plus loin.

À mesure que l’épaisseur de la paroi augmente, la localisation du son dans les basses fréquences moyennes augmente, mais la résonance de coïncidence « insidieuse », qui provoque l’étranglement de la localisation du son, commence à se manifester aux fréquences plus basses et couvre une zone plus large.

Sur de longues distances, l’énergie sonore se propage uniquement le long de doux rayons qui ne touchent pas le fond de l’océan tout au long du trajet. Dans ce cas, la limitation imposée par l’environnement à la portée de propagation du son est son absorption dans l’eau de mer. Le principal mécanisme d'absorption est associé à des processus de relaxation accompagnant la perturbation par une onde acoustique de l'équilibre thermodynamique entre les ions et les molécules de sels dissous dans l'eau. Il convient de noter que le rôle principal dans l'absorption dans une large gamme de fréquences sonores appartient au sel de magnésium et de soufre MgSO4, bien qu'en pourcentage, sa teneur dans l'eau de mer soit très faible - près de 10 fois inférieure à celle, par exemple, du sel gemme NaCl. , qui ne joue néanmoins aucun rôle significatif dans l'absorption acoustique.

En général, l’absorption dans l’eau de mer est d’autant plus grande que la fréquence sonore est élevée. Aux fréquences de 3 à 5 à au moins 100 kHz, où le mécanisme ci-dessus domine, l'absorption est proportionnelle à la fréquence à la puissance d'environ 3/2. Aux fréquences plus basses, un nouveau mécanisme d'absorption est activé (peut-être en raison de la présence de sels de bore dans l'eau), qui devient particulièrement visible dans la gamme des centaines de hertz ; ici, le niveau d'absorption est anormalement élevé et diminue beaucoup plus lentement avec une fréquence décroissante.

Pour imaginer plus clairement les caractéristiques quantitatives de l'absorption dans l'eau de mer, notons qu'en raison de cet effet, le son d'une fréquence de 100 Hz est atténué 10 fois sur un trajet de 10 000 km, et avec une fréquence de 10 kHz - à un distance de seulement 10 km (Figure 2). Ainsi, seules les ondes sonores basse fréquence peuvent être utilisées pour la communication sous-marine longue distance, la détection à longue portée d'obstacles sous-marins, etc.

Figure 2 - Distances auxquelles les sons de différentes fréquences s'atténuent 10 fois lorsqu'ils se propagent dans l'eau de mer.

Dans la région des sons audibles pour la gamme de fréquences 20-2000 Hz, la plage de propagation des sons d'intensité moyenne sous l'eau atteint 15-20 km et dans la région des ultrasons - 3-5 km.

Sur la base des valeurs d'atténuation acoustique observées en laboratoire dans de petits volumes d'eau, on pourrait s'attendre à des plages nettement plus élevées. Cependant, dans des conditions naturelles, outre l'atténuation provoquée par les propriétés de l'eau elle-même (dite atténuation visqueuse), sa diffusion et son absorption par diverses inhomogénéités du milieu l'affectent également.

La réfraction du son, ou courbure du trajet d'un faisceau sonore, est causée par l'hétérogénéité des propriétés de l'eau, principalement verticalement, pour trois raisons principales : les changements de pression hydrostatique avec la profondeur, les changements de salinité et les changements de température dus à des variations inégales. réchauffement de la masse d'eau par les rayons du soleil. En raison de l'effet combiné de ces raisons, la vitesse de propagation du son, qui est d'environ 1 450 m/s pour l'eau douce et d'environ 1 500 m/s pour l'eau de mer, change avec la profondeur, et la loi de changement dépend du temps. de l'année, l'heure de la journée, la profondeur du réservoir et un certain nombre d'autres raisons. Les rayons sonores émergeant de la source sous un certain angle par rapport à l'horizon sont courbés et la direction de la courbure dépend de la répartition des vitesses du son dans le milieu. En été, lorsque les couches supérieures sont plus chaudes que les couches inférieures, les rayons se courbent vers le bas et sont principalement réfléchis par le bas, perdant ainsi une part importante de leur énergie. Au contraire, en hiver, lorsque les couches inférieures de l'eau maintiennent leur température, tandis que les couches supérieures se refroidissent, les rayons se courbent vers le haut et subissent de multiples réflexions depuis la surface de l'eau, au cours desquelles beaucoup moins d'énergie est perdue. Par conséquent, en hiver, la portée de propagation du son est plus grande qu’en été. En raison de la réfraction, ce qu'on appelle zones mortes, c'est-à-dire zones situées à proximité de la source dans lesquelles il n'y a pas d'audibilité.

La présence de réfraction peut cependant conduire à une augmentation de la portée de propagation du son - le phénomène de propagation des sons à très longue portée sous l'eau. À une certaine profondeur sous la surface de l’eau se trouve une couche dans laquelle le son se propage à la vitesse la plus faible ; Au-dessus de cette profondeur, la vitesse du son augmente du fait d’une augmentation de la température, et en dessous de cette profondeur, du fait d’une augmentation de la pression hydrostatique avec la profondeur. Cette couche est une sorte de canal sonore sous-marin. Un faisceau qui s'est écarté de l'axe du canal vers le haut ou vers le bas, du fait de la réfraction, a toujours tendance à retomber dans celui-ci. Si vous placez la source et le récepteur du son dans cette couche, même des sons d'intensité moyenne (par exemple, des explosions de petites charges de 1 à 2 kg) peuvent être enregistrés à des distances de centaines et de milliers de km. Une augmentation significative de la portée de propagation du son en présence d'un canal sonore sous-marin peut être observée lorsque la source sonore et le récepteur ne sont pas nécessairement situés près de l'axe du canal, mais, par exemple, près de la surface. Dans ce cas, les rayons, réfractés vers le bas, pénètrent dans les couches profondes, où ils sont déviés vers le haut et ressortent à la surface à une distance de plusieurs dizaines de kilomètres de la source. Ensuite, le modèle de propagation des rayons est répété et, par conséquent, une séquence de ce qu'on appelle les rayons est formée. zones éclairées secondaires, qui sont généralement tracées sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres.

La propagation des sons à haute fréquence, notamment des ultrasons, lorsque les longueurs d'onde sont très petites, est influencée par de petites inhomogénéités habituellement rencontrées dans les plans d'eau naturels : micro-organismes, bulles de gaz, etc. Ces inhomogénéités agissent de deux manières : elles absorbent et diffusent l'énergie des ondes sonores. En conséquence, à mesure que la fréquence des vibrations sonores augmente, la portée de leur propagation diminue. Cet effet est particulièrement visible dans la couche superficielle de l’eau, où se trouvent le plus d’inhomogénéités. La diffusion du son par les inhomogénéités, ainsi que les surfaces inégales de l'eau et du fond, provoquent le phénomène de réverbération sous-marine, qui accompagne l'envoi d'une impulsion sonore : les ondes sonores, réfléchies par un ensemble d'inhomogénéités et fusionnant, donnent naissance à un prolongation de l'impulsion sonore, qui se poursuit après sa fin, semblable à la réverbération observée dans les espaces clos. La réverbération sous-marine constitue une interférence assez importante pour un certain nombre d'applications pratiques de l'hydroacoustique, notamment pour les sonars.

La gamme de propagation des sons sous-marins est également limitée par ce qu'on appelle. les bruits de la mer, qui ont une double origine. Une partie du bruit provient de l'impact des vagues sur la surface de l'eau, des vagues, du bruit des galets roulants, etc. L'autre partie est liée à la faune marine ; Cela inclut les sons émis par les poissons et autres animaux marins.

Nous percevons les sons à distance de leurs sources. Habituellement, le son nous parvient par l’air. L'air est un milieu élastique qui transmet le son.

Si le support de transmission sonore est supprimé entre la source et le récepteur, le son ne se propagera pas et, par conséquent, le récepteur ne le percevra pas. Montrons cela expérimentalement.

Plaçons un réveil sous la cloche de la pompe à air (Fig. 80). Tant qu'il y a de l'air dans la cloche, le son de la cloche peut être clairement entendu. Au fur et à mesure que l’air est pompé sous la cloche, le son s’affaiblit progressivement pour finalement devenir inaudible. Sans support de transmission, les vibrations de la plaque de cloche ne peuvent pas se propager et le son n'atteint pas notre oreille. Laissons de l'air sous la cloche et écoutons à nouveau la sonnerie.

Riz. 80. Expérience prouvant que le son ne se propage pas dans l'espace où il n'y a pas de support matériel

Les substances élastiques conduisent bien les sons, comme les métaux, le bois, les liquides et les gaz.

Mettons une montre de poche à une extrémité d'une planche de bois et passons à l'autre extrémité. En approchant l’oreille du tableau, vous pouvez entendre le tic-tac de l’horloge.

Attachez une ficelle à une cuillère en métal. Placez l'extrémité de la ficelle à votre oreille. Lorsque vous frappez la cuillère, vous entendrez un son fort. Nous entendrons un son encore plus fort si nous remplaçons la corde par du fil.

Les corps mous et poreux sont de mauvais conducteurs du son. Pour protéger n'importe quelle pièce de la pénétration de sons étrangers, les murs, le sol et le plafond sont recouverts de couches de matériaux insonorisants. Du feutre, du liège pressé, des pierres poreuses et divers matériaux synthétiques (par exemple, mousse de polystyrène) fabriqués à partir de polymères expansés sont utilisés comme couches intermédiaires. Le son dans ces couches s'estompe rapidement.

Les liquides conduisent bien le son. Les poissons, par exemple, sont doués pour entendre les pas et les voix sur le rivage, ce que savent les pêcheurs expérimentés.

Ainsi, le son se propage dans n’importe quel milieu élastique – solide, liquide et gazeux, mais ne peut pas se propager dans l’espace où il n’y a aucune substance.

Les oscillations de la source créent une onde élastique de fréquence sonore dans son environnement. L'onde, atteignant l'oreille, affecte le tympan, le faisant vibrer à une fréquence correspondant à la fréquence de la source sonore. Les vibrations du tympan sont transmises par le système ossiculaire jusqu'aux terminaisons du nerf auditif, les irritent et provoquent ainsi la sensation sonore.

Rappelons que seules des ondes élastiques longitudinales peuvent exister dans les gaz et les liquides. Le son dans l’air, par exemple, est transmis par ondes longitudinales, c’est-à-dire par une alternance de condensations et de raréfactions de l’air provenant de la source sonore.

Une onde sonore, comme toute autre onde mécanique, ne se propage pas instantanément dans l’espace, mais à une certaine vitesse. Vous pouvez le vérifier, par exemple, en observant les tirs de loin. Nous voyons d’abord du feu et de la fumée, puis après un moment nous entendons le bruit d’un coup de feu. La fumée apparaît en même temps que la première vibration sonore se produit. En mesurant l'intervalle de temps t entre le moment où le son apparaît (le moment où la fumée apparaît) et le moment où il atteint l'oreille, on peut déterminer la vitesse de propagation du son :

Les mesures montrent que la vitesse du son dans l'air à 0 °C et à pression atmosphérique normale est de 332 m/s.

Plus la température est élevée, plus la vitesse du son dans les gaz est élevée. Par exemple, à 20 °C, la vitesse du son dans l'air est de 343 m/s, à 60 °C - 366 m/s, à 100 °C - 387 m/s. Cela s'explique par le fait qu'avec l'augmentation de la température, l'élasticité des gaz augmente, et plus les forces élastiques qui apparaissent dans le milieu lors de sa déformation sont importantes, plus la mobilité des particules est grande et plus les vibrations sont transmises rapidement d'un point à un autre.

La vitesse du son dépend également des propriétés du milieu dans lequel le son se propage. Par exemple, à 0 °C, la vitesse du son dans l'hydrogène est de 1 284 m/s et dans le dioxyde de carbone de 259 m/s, car les molécules d'hydrogène sont moins massives et moins inertes.

De nos jours, la vitesse du son peut être mesurée dans n’importe quel environnement.

Les molécules des liquides et des solides sont plus proches les unes des autres et interagissent plus fortement que les molécules de gaz. Par conséquent, la vitesse du son dans les milieux liquides et solides est plus grande que dans les milieux gazeux.

Puisque le son est une onde, pour déterminer la vitesse du son, en plus de la formule V = s/t, vous pouvez utiliser les formules que vous connaissez : V = λ/T et V = vλ. Lors de la résolution de problèmes, la vitesse du son dans l’air est généralement considérée comme étant de 340 m/s.

Des questions

1. Quel est le but de l’expérience représentée à la figure 80 ? Décrivez comment cette expérience est réalisée et quelle conclusion en découle.
2. Le son peut-il voyager dans les gaz, les liquides et les solides ? Justifiez vos réponses avec des exemples.
3. Quels corps conduisent mieux le son – élastiques ou poreux ? Donnez des exemples de corps élastiques et poreux.
4. Quel type d’onde – longitudinale ou transversale – le son se propage-t-il dans l’air ? dans l'eau?
5. Donnez un exemple montrant qu’une onde sonore ne se propage pas instantanément, mais à une certaine vitesse.

Exercice 30

1. Le bruit d’une énorme explosion sur la Lune pourrait-il être entendu sur Terre ? Justifiez votre réponse.
2. Si vous attachez la moitié d'un porte-savon à chaque extrémité du fil, alors en utilisant un tel téléphone, vous pouvez même parler à voix basse dans différentes pièces. Expliquez le phénomène.
3. Déterminez la vitesse du son dans l'eau si une source oscillant avec une période de 0,002 s excite des vagues dans l'eau d'une longueur de 2,9 m.
4. Déterminer la longueur d'onde d'une onde sonore d'une fréquence de 725 Hz dans l'air, dans l'eau et dans le verre.
5. L'extrémité d'un long tuyau métallique a été frappée une fois avec un marteau. Le bruit de l'impact se propagera-t-il à la deuxième extrémité du tuyau à travers le métal ? par l'air à l'intérieur du tuyau ? Combien de coups une personne debout à l’autre bout du tuyau entendra-t-elle ?
6. Un observateur se tenant près d'une section droite de la voie ferrée a vu de la vapeur au-dessus du sifflet d'une locomotive à vapeur circulant au loin. 2 secondes après l'apparition de la vapeur, il entendit le son d'un sifflet et après 34 secondes la locomotive passa devant l'observateur. Déterminez la vitesse de la locomotive.