Une corde de guitare, une voix, un coup de tonnerre… Tous les sons ont la même origine : quelque chose vibre. Dans ce chapitre, on suit le son depuis sa source jusqu'à notre oreille, puis on apprend à le décrire avec des grandeurs physiques que l'on sait mesurer : la fréquence, la forme et l'amplitude du signal sonore.
Définition
Le son est produit par une vibration qui se propage de proche en proche dans un milieu matériel.
Les particules du milieu lui-même ne font qu'osciller sur place.
Quand la membrane d'un haut-parleur avance, elle pousse les particules d'air qui la touchent ; celles-ci poussent à leur tour leurs voisines, qui poussent les suivantes, et ainsi de suite : c'est ce relais que l'on appelle une propagation de proche en proche. Chaque particule revient ensuite vers sa position de départ : elle ne fait qu'aller et venir autour de sa position de repos. Dans l'air se succèdent alors des zones où les particules sont rapprochées (l'air y est comprimé) et des zones où elles sont écartées (l'air y est dilaté) : ce sont ces zones qui voyagent, et non l'air lui-même.
Animation
Le son se propage de proche en proche
Lancez le haut-parleur, puis observez la particule rouge : va-t-elle jusqu'au bout de l'écran ?
La vibration (et les zones comprimées, en bleu) traverse tout l'écran, alors que la particule rouge reste toujours au voisinage de sa position de repos (trait pointillé). L'animation est énormément ralentie : dans l'air, le son parcourt environ 340 m en une seconde.
Définition
On est en présence d'une onde (l'onde sonore), caractérisée par un transport d'énergie et d'information sans transport de matière.
Exemples
Attention
Sans milieu matériel, pas de son ! Le vide spatial est donc silencieux.
Dans les films, les vaisseaux spatiaux explosent dans un fracas assourdissant : c'est physiquement faux. On verrait l'explosion, car la lumière se propage dans le vide, mais on ne l'entendrait pas.
Remarque
Pas de feu non plus, d'ailleurs ! Une flamme est une combustion, qui a besoin d'un comburant : sur Terre, c'est le dioxygène de l'air. Dans le vide, pas de longues flammes qui ondulent comme dans les films (les moteurs de fusée, eux, emportent leur propre comburant).
Expérience simulée
Un réveil sous une cloche à vide
Une expérience classique, réalisée pour la première fois par Robert Boyle en 1660. Chaque point représente un nombre gigantesque de molécules, et le niveau sonore affiché n'est qu'un ordre de grandeur.
Cette expérience est souvent présentée comme la preuve que le son ne se propage pas dans le vide. Elle est en réalité bien moins démonstrative.
L'expérience montre donc seulement que moins il y a d'air, moins le son est transmis. Que le son ne passe pas du tout dans le vide en est une extrapolation, raisonnable mais non démontrée par l'expérience. Les arguments les plus directs viennent d'ailleurs : le son est une vibration transmise par des particules, il ne peut donc rien transmettre là où il n'y en a (presque) pas, comme dans l'espace interplanétaire, où l'on compte quelques particules par centimètre cube. C'est pourquoi les astronautes communiquent par radio, grâce à des ondes électromagnétiques qui, comme la lumière du Soleil, traversent le vide.
La vitesse de propagation du son dépend du milieu : elle est en général plus grande dans les liquides que dans les gaz, et plus grande encore dans les solides. Dans l'air, elle dépend aussi un peu de la température (331 m/s à 0 °C, 343 m/s à 20 °C) : on retient la valeur approchée de 340 m/s.
| milieu | air | eau | acier |
|---|---|---|---|
| vitesse du son (m/s) | 340 | 1 500 | 5 800 |
On entend souvent « plus le milieu est dense, plus le son va vite ». C'est faux en général ! Ce qui compte surtout, c'est la raideur du milieu : la force avec laquelle les particules sont liées les unes aux autres. Dans un solide, elles sont très fortement liées, comme des billes reliées par des ressorts très raides : une poussée se transmet presque immédiatement à la voisine. Dans un gaz, les particules sont éloignées et n'interagissent qu'en se heurtant.
La masse des particules joue au contraire dans l'autre sens : à raideur égale, des particules plus lourdes sont plus lentes à mettre en mouvement, donc le son est plus lent dans un milieu plus dense. Quelques exemples :
Si l'eau et l'acier « battent » l'air, c'est donc parce qu'ils sont beaucoup plus raides (bien plus difficiles à comprimer), et non parce qu'ils sont plus denses.
Comparons la vitesse du son à d'autres vitesses que l'on rencontre couramment :
| mobile ou signal | vitesse (m/s) | vitesse (km/h) |
|---|---|---|
| piéton | 1,4 | 5 |
| voiture sur autoroute | 36 | 130 |
| TGV | 89 | 320 |
| avion de ligne | 250 | 900 |
| son dans l'air | 340 | 1 224 |
| lumière (dans le vide ou dans l'air) | 300 000 000 | 1 080 000 000 |
Remarque
Un avion qui va plus vite que le son « franchit le mur du son » et produit un « bang » supersonique. Le Concorde volait à environ 2 200 km/h, soit près de deux fois la vitesse du son.
Animation
La course des signaux
Quatre signaux partent au même instant pour parcourir la même distance : un éclair de lumière, et un son qui voyage dans l'acier, dans l'eau ou dans l'air. Les chronomètres sont en temps réel.
Question
Comment convertir en km/h les vitesses du son données plus haut (340 m/s, 1 500 m/s et 5 800 m/s) ?
Commençons par l'inverse : convertissons des km/h en m/s, en prenant l'exemple de $\pu{72 km/h}$. Une vitesse de 72 km/h signifie que l'on parcourt 72 km en 1 heure ; il suffit de remplacer chaque unité par sa valeur en mètres ou en secondes :
$\pu{72 km/h} = \dfrac{\pu{72 km}}{\pu{1 h}} = \dfrac{\pu{72E3 m}}{\pu{3600 s}} = \dfrac{\pu{72E3 m}}{\pu{3,6E3 s}}$
donc $\pu{72 km/h} = \dfrac{72}{\textcolor{#E11D48}{3,6}}\ \pu{m/s} = \pu{20 m/s}$
À retenir
Il faut diviser par 3,6 pour passer des km/h aux m/s.
Question
Que doit-on alors faire pour passer des m/s aux km/h ?
On fait l'opération inverse de la division par 3,6 : on multiplie par 3,6. Vérification : $\pu{20 m/s} \times 3,6 = \pu{72 km/h}$, on retrouve bien la vitesse de départ.
Pour ne pas se tromper de sens : en roulant à 1 m/s pendant une heure (3 600 s), on parcourt 3 600 m, soit 3,6 km. Donc $\pu{1 m/s} = \pu{3,6 km/h}$ : une même vitesse s'écrit toujours avec un nombre plus grand en km/h qu'en m/s.
Les deux conversions à connaître.
On multiplie par 3,6 :
Rappel : en appelant $d$ la distance parcourue (en m) et $\Delta t$ la durée écoulée (en s), la vitesse $v$ d'un signal est donnée par la relation :
Formule
$v = \dfrac{d}{\Delta t}$
Remarque
On écrit $\Delta t$ car une durée est l'écart entre deux instants, et le symbole $\Delta$ (la lettre grecque « delta » majuscule) désigne, en physique, un écart : $\Delta t = t_\text{final} - t_\text{initial}$.
Symétriquement, on peut aussi considérer la distance comme un écart entre deux positions : au lieu de $d$, on aurait pu écrire $\Delta x$.
Questions
Si l'on connaît la vitesse et la durée, comment obtient-on la distance ? Et si l'on connaît la distance et la vitesse, comment obtient-on la durée ?
On multiplie les deux membres de $v = \dfrac{d}{\Delta t}$ par $\Delta t$ : $v \times \Delta t = d$.
On divise ensuite les deux membres de $d = v \times \Delta t$ par $v$ : $\Delta t = \dfrac{d}{v}$.
Vérification avec les unités : des m/s multipliés par des s donnent bien des m, et des m divisés par des m/s donnent bien des s.
Distance
$d = v \times \Delta t$
Durée
$\Delta t = \dfrac{d}{v}$
Question
Pourquoi doit-on compter approximativement 3 s par kilomètre entre l'éclair et le tonnerre ?
L'éclair et le tonnerre sont produits au même instant. Pour parcourir 1 km, soit 1 000 m :
Le décalage entre l'éclair et le tonnerre est donc la durée de trajet du son : environ 3 s par kilomètre. Il suffit de compter les secondes et de diviser par 3 pour obtenir la distance en kilomètres.
Animation
À quelle distance est l'orage ?
0,0s
Déclenchez un éclair : le chronomètre part avec l'éclair et s'arrête quand le tonnerre arrive.
Entraînement
Vitesse, distance, durée et conversions
Pour mesurer la vitesse du son au laboratoire, on mesure la durée que met un son bref pour parcourir une distance connue. Les durées en jeu sont très courtes (quelques millisecondes pour un mètre), bien trop courtes pour un chronomètre manuel : on confie la mesure à deux microphones reliés à une interface d'acquisition.
Protocole
Placer deux microphones alignés avec la source, à une distance $d$ l'un de l'autre, et les relier aux deux voies d'une interface d'acquisition (ou d'un oscilloscope).
Mesurer $d$ entre les deux membranes au mètre ruban, et la prendre la plus grande possible (au moins un mètre) : l'erreur relative de mesure est alors plus petite.
Régler l'acquisition pour qu'elle se déclenche sur le signal du premier microphone, avec une durée d'enregistrement de quelques dizaines de millisecondes.
Produire un son bref (claquement de mains, deux règles frappées l'une contre l'autre) du côté du premier microphone.
Mesurer le décalage $\Delta t$ entre le début des deux signaux, puis calculer $v = \dfrac{d}{\Delta t}$.
Repérer le début de chaque signal au même endroit (premier pic, par exemple) ; recommencer la mesure plusieurs fois et faire la moyenne.
Expérience simulée
Deux microphones, un claquement
Claquez des mains, puis faites glisser les deux curseurs (ou utilisez les flèches du clavier, avec Maj pour le second curseur) pour mesurer le décalage.
Définition
Pour augmenter l'intensité du son émis, beaucoup d'instruments et d'êtres vivants sont dotés d'une caisse de résonance, qui amplifie et sélectionne les sons.
Une corde de guitare tendue seule ne met en mouvement que très peu d'air : on l'entend à peine. Fixée sur la caisse de la guitare, elle fait vibrer la grande table d'harmonie et l'air contenu dans la caisse, qui transmettent la vibration à une bien plus grande quantité d'air extérieur : le son devient beaucoup plus fort. La caisse vibre aussi plus facilement à certaines fréquences qu'à d'autres : elle renforce certains sons plus que d'autres, ce qui participe à la « couleur » du son de chaque instrument.
Exemples
Le mot « amplifier » peut tromper : la caisse de résonance n'ajoute aucune énergie, contrairement à un amplificateur électrique branché sur le secteur. Elle permet seulement à l'objet vibrant de céder plus vite son énergie à l'air. Conséquence étonnante : un diapason posé sur sa caisse sonne beaucoup plus fort, mais s'arrête plus tôt que le même diapason tenu à la main.
Allure du signal d'un diapason frappé de la même façon, tenu à la main ou posé sur sa caisse.
Un son est trop rapide pour être observé à l'œil nu. Pour l'étudier, on utilise une chaîne de mesure : un microphone (le capteur) convertit la vibration de l'air en une tension électrique qui varie au même rythme ; une interface d'acquisition reliée à un ordinateur (ou un oscilloscope, ou simplement un smartphone avec une application comme phyphox ou FizziQ) affiche alors cette tension en fonction du temps.
Le microphone convertit la vibration de l'air en une tension électrique ; l'ordinateur affiche cette tension en fonction du temps.
Définition
La courbe qui donne le signal (ici la tension délivrée par le microphone) en fonction du temps s'appelle la représentation temporelle du signal sonore.
C'est sur cette représentation que nous allons lire tout ce qui nous intéresse dans un son : la durée du motif qui se répète (la période), la forme de ce motif, et la hauteur de ses pics (l'amplitude). Nous verrons dans la partie suivante que chacune de ces trois grandeurs correspond à une caractéristique de ce que nous entendons.
Les sons musicaux sont des signaux périodiques.
Définitions
Un signal périodique est un signal qui se répète à l'identique dans le temps.
La période $T$ d'un signal périodique est la durée d'une répétition (d'un motif). Unité : la seconde (s).
Animation
Périodique ou non ?
Attention
Pour mesurer une période, il faut repérer deux points qui se correspondent dans deux motifs successifs : même valeur et même évolution (le signal monte ou descend de la même façon). Deux points qui ont seulement la même valeur ne sont en général pas séparés d'une période.
Pour des sons musicaux, la période est souvent très petite, de l'ordre du centième ou du millième de seconde. On lui préfère alors le nombre de répétitions (de motifs) par seconde, qui est l'inverse de la période et qu'on appelle la fréquence.
Définition
La fréquence $f$ d'un signal périodique est le nombre de motifs par seconde. Unité : le hertz (Hz).
Formule
$f = \dfrac{1}{T}$
Exemple
Le « la » du diapason a une fréquence $f = \pu{440 Hz}$ : ses branches font 440 allers-retours par seconde. Sa période vaut $T = \dfrac{1}{f} = \dfrac{1}{\pu{440 Hz}} \approx \pu{0,00227 s}$, soit environ $\pu{2,27 ms}$.
Attention aux unités : pour obtenir des hertz, la période doit être en secondes. Avec $T = \pu{4 ms} = \pu{0,004 s}$, on trouve $f = \dfrac{1}{0,004} = \pu{250 Hz}$.
Un microcontrôleur (une carte Arduino, par exemple) peut produire un son très simplement. L'instruction tone(8, 440) lui fait basculer la tension de sa broche 8 entre 0 V et 5 V, 440 fois par seconde : c'est un signal en créneaux de fréquence 440 Hz, donc de période $T = 1/440 \approx \pu{2,27 ms}$. Un petit haut-parleur (ou un buzzer) branché sur cette broche le transforme en son : on entend le la du diapason, avec un timbre beaucoup plus « nasillard », car la forme du signal est différente.
void setup() {
tone(8, 440); // créneaux de fréquence 440 Hz sur la broche 8
}
void loop() {
}En remplaçant 440 par 880, on obtient le la de l'octave supérieure. On peut enregistrer ce signal avec un microphone et vérifier sa période sur la représentation temporelle.
Pour visualiser le lien entre période et fréquence, on peut manipuler cette appliquette GeoGebra.
Entraînement
Mesurer une période sur un oscillogramme
Faites glisser les curseurs (ou utilisez les flèches du clavier, avec Maj pour le second curseur). Mesurez plusieurs périodes d'un coup, puis divisez : c'est plus précis.
À savoir
Pour mesurer précisément la période d'un phénomène qui se répète, on mesure la durée $\Delta t$ de plusieurs motifs, par exemple $n = 10$, puis on divise : $T = \dfrac{\Delta t}{n}$.
L'erreur commise en déclenchant et en arrêtant le chronomètre (le temps de réaction, environ 0,2 s) est la même que l'on mesure 1 motif ou 10 motifs. Mais en divisant par 10, on divise aussi cette erreur par 10 : la mesure est dix fois plus précise. C'est le même principe qu'avec un oscilloscope, où l'on mesure toujours plusieurs périodes d'un coup.
Question
Quelles sont la période et la fréquence du signal lumineux ci-dessous ? Chronométrez-le !
Chronométrage
Un signal lumineux périodique
0,00s
Démarrez le chronomètre au passage d'une teinte bien repérable, comptez les motifs (un tour complet des couleurs), puis arrêtez-le au retour de la même teinte.
Les couleurs défilent continûment (vert, jaune, rouge, magenta, bleu, cyan, puis de nouveau vert…) et ce cycle se répète à l'identique : c'est le motif. Il dure $T = \pu{5,3 s}$ (aux erreurs de mesure près), donc $f = \dfrac{1}{T} = \dfrac{1}{\pu{5,3 s}} \approx \pu{0,19 Hz}$ : environ 0,19 motif par seconde.
La difficulté : la couleur change sans à-coup, si bien qu'il est difficile de déclencher et d'arrêter le chronomètre exactement au même instant du motif (la même teinte). L'incertitude sur chaque déclenchement dépasse alors le simple temps de réaction : c'est une raison de plus pour chronométrer plusieurs motifs.
Question
Quand on « prend son pouls », mesure-t-on une période ou une fréquence ?
On compte le nombre de battements pendant une durée donnée : c'est une fréquence. Elle s'exprime d'habitude en battements par minute plutôt qu'en hertz (battements par seconde).
Exemple : un pouls de 72 battements par minute correspond à $f = \dfrac{72}{\pu{60 s}} = \pu{1,2 Hz}$, donc à une période $T = \dfrac{1}{1,2} \approx \pu{0,83 s}$ entre deux battements. Et comme pour toute mesure de fréquence, on compte les battements pendant 15 à 30 secondes plutôt que pendant une seule : c'est plus précis.
Notre oreille distingue trois caractéristiques d'un son : sa hauteur (grave ou aigu), son timbre (l'instrument qui joue) et son intensité (faible ou fort). Chacune est liée à l'une des grandeurs que l'on lit sur la représentation temporelle. Le laboratoire ci-dessous permet de les faire varier une par une.
Laboratoire
Le générateur de sons
Hauteur
liée à la fréquence :
Timbre
lié à la forme du signal :
Intensité
liée à l'amplitude :
Choisissez un instrument, une note sur le clavier ou une fréquence, puis écoutez.
Commencez avec un volume faible. Les haut-parleurs d'un ordinateur ou d'un téléphone reproduisent mal les sons très graves (en dessous de 100 Hz environ). Pour le piano et le violon, le son est celui d'une vraie note, qui évolue au cours du temps ; le motif affiché est une version simplifiée de sa partie stable, pour comparer d'un coup d'œil les quatre formes de même période.
Définitions
Le domaine des fréquences des sons audibles pour l'oreille humaine est situé entre 20 Hz et 20 000 Hz.
En dessous de 20 Hz, on parle d'infrasons ; au-dessus de 20 000 Hz, d'ultrasons.
Domaines d'audition de quelques espèces (ordres de grandeur : ils varient selon les études et les individus). L'axe des fréquences est gradué en multipliant par 10 à chaque graduation.
Exemples
Non ! Les limites de 20 Hz et 20 000 Hz sont celles d'une oreille jeune et en bonne santé. Avec l'âge, on perd progressivement les aigus : c'est la presbyacousie. Beaucoup d'adultes n'entendent plus au-delà de 15 000 Hz, parfois bien moins. Une exposition répétée à des sons trop forts accélère cette perte, et elle est définitive.
Testez-vous avec le générateur de sons ci-dessus (à volume modéré) : à partir de quelle fréquence n'entendez-vous plus rien ?
Attention, certains haut-parleurs ne reproduisent pas les fréquences les plus aiguës.
Pour un son musical, la hauteur désigne la note jouée (plus ou moins grave ou aiguë).
À retenir
La hauteur est liée à la fréquence : plus la fréquence est grande, plus la hauteur est grande et plus la note est aiguë.
Jouez le do 3 puis le do 4 sur le clavier du générateur : les deux notes portent le même nom, et on a l'impression d'entendre « la même note, plus haut ». Leurs fréquences sont 262 Hz et 523 Hz : la fréquence a doublé. Deux notes séparées d'une octave ont toujours des fréquences dans un rapport 2. C'est pourquoi le la qui suit le la 3 (440 Hz) a une fréquence de 880 Hz.
Le signal de deux notes identiques jouées par des instruments différents possède la même période, mais la forme des signaux est différente.
Définition
On appelle timbre ce qui distingue deux notes de même hauteur. Il est lié à la forme du signal.
Revenez au générateur de sons, choisissez une note, puis changez d'instrument : la période reste la même (même note), seule la forme du motif change. Le signal en forme de sinusoïde, celui du diapason, correspond à un son pur ; les instruments de musique produisent des signaux de formes plus complexes : ce sont des sons complexes.
La forme du motif ne dit pas tout : la façon dont le son commence (l'attaque) et dont il évolue ensuite (l'enveloppe) comptent beaucoup dans la reconnaissance d'un instrument. Écoutez ci-dessous une note de piano à l'envers : le motif est le même, mais le son grandit progressivement au lieu de décroître, et ne ressemble plus du tout à un piano. À l'inverse, les premiers centièmes de seconde d'une note de violon, quand l'archet « accroche » la corde, suffisent souvent à reconnaître l'instrument.
Animation
À l'endroit, à l'envers
Écoutez chaque note dans les deux sens. Le motif (la forme du signal sur quelques périodes) est le même dans les deux cas ; seule l'enveloppe est retournée.
Enfin, la troisième caractéristique d'un son est son intensité : c'est elle qui fait qu'on le perçoit comme plus ou moins fort.
Définitions
L'amplitude d'un signal sonore est la valeur maximale qu'il atteint, mesurée à partir de zéro.
L'intensité sonore, notée $I$, mesure l'énergie que l'onde sonore apporte chaque seconde sur chaque mètre carré de surface. Elle s'exprime en watts par mètre carré (W/m²).
À retenir
Plus l'amplitude du signal sonore est grande, plus l'intensité sonore est grande, et plus le son nous paraît fort.
Une même note jouée de plus en plus fort : la période (donc la hauteur) ne change pas, l'amplitude augmente.
Question
L'intensité sonore d'une trompette seule vaut $I_t$ à une certaine distance. Que vaut l'intensité sonore de quatre trompettes identiques jouant ensemble, à la même distance ?
Chaque trompette apporte sa propre énergie sonore, et ces énergies s'ajoutent : l'intensité sonore des quatre trompettes vaut $4\,I_t$.
Si l'amplitude du signal double, les particules d'air vont deux fois plus loin de leur position de repos… pendant la même durée, puisque la période ne change pas. Elles vont donc aussi deux fois plus vite. Or l'énergie d'un objet en mouvement est proportionnelle au carré de sa vitesse : elle est multipliée par $2^2 = 4$. Ainsi, l'intensité sonore est proportionnelle au carré de l'amplitude :
Inversement, les quatre trompettes de la question précédente ne donnent pas un signal d'amplitude 4 fois plus grande, mais seulement environ 2 fois plus grande : leurs vibrations ne sont pas synchronisées et s'annulent en partie, tantôt ici, tantôt là. Les intensités, elles, s'additionnent bien.
Mais l'intensité sonore rend mal compte de notre sensation auditive. On peut par exemple mesurer que l'intensité sonore du son émis par quelqu'un qui parle fort est environ 10 000 fois plus grande que celle d'une personne qui chuchote à la même distance ! Pourtant, on n'a pas la sensation d'un son 10 000 fois plus fort…
Attention
Intensité sonore et sensation auditive ne sont pas proportionnelles !
Définition
Pour tenir compte de cette échelle non proportionnelle, on utilise une autre grandeur : le niveau d'intensité sonore, noté $L$, mesuré en décibels (dB) à l'aide d'un sonomètre.
À retenir
Lorsque l'intensité sonore augmente, le niveau d'intensité sonore augmente aussi, mais beaucoup moins vite :
Exemple
Un chuchotement correspond à environ 30 dB, une personne qui parle fort à environ 70 dB. Le niveau a augmenté de 40 dB, soit quatre fois 10 dB : l'intensité sonore a été multipliée par $10 \times 10 \times 10 \times 10 = 10\,000$. Une augmentation énorme de l'intensité correspond à une augmentation modérée du niveau, bien plus proche de notre sensation.
Animation
Une, deux, quatre trompettes…
Chaque pastille représente l'intensité sonore $I_t$ d'une trompette.
80dB
Et en vrai ? Mesurez avec le micro de votre appareil
La page fait jouer 1, 2 ou 4 trompettes (des sons de synthèse, légèrement désaccordés comme de vrais musiciens) et mesure le niveau reçu par le micro. Ce micro n'est pas étalonné : les valeurs en décibels sont relatives, mais leurs écarts ont bien un sens. Sans micro, la mesure se fait directement sur le signal émis.
| trompettes | niveau mesuré | écart mesuré | écart attendu |
|---|---|---|---|
| 1 | — | référence | référence |
| 2 | — | — | +3 dB |
| 4 | — | — | +6 dB |
Une trompette seule donne ici 80 dB. La barre « Niveau » est graduée de 0 à 120 dB. Pour la mesure au micro, utilisez de préférence un ordinateur, dans une pièce calme : certains téléphones règlent automatiquement le volume du micro, ce qui fausse les écarts.
En terminale, on définit le niveau d'intensité sonore par $L = 10 \log\left(\dfrac{I}{I_0}\right)$, où $I_0$ est l'intensité sonore la plus faible que l'oreille humaine puisse percevoir (environ un millième de milliardième de W/m²). La fonction logarithme décimal « log » compte, en quelque sorte, le nombre de multiplications par 10 : chaque fois que l'intensité est multipliée par 10, le niveau augmente de 10 dB. Et comme $10 \log 2 \approx 3$, doubler l'intensité ajoute environ 3 dB.
Animation
L'échelle des niveaux d'intensité sonore
Exemple : le son le plus fort jamais enregistré
Le 27 août 1883, l'éruption du volcan Krakatoa, en Indonésie, pulvérise les deux tiers de l'île. À 160 km de là, le manomètre de l'usine à gaz de Batavia (l'actuelle Jakarta) enregistre une surpression d'environ 8,5 kPa, soit un niveau d'intensité sonore d'environ 172 dB : 50 dB de plus que le seuil de douleur, c'est-à-dire une intensité sonore plus de 100 000 fois plus grande, à 160 km ! Selon les récits de l'époque, des marins qui se trouvaient à une soixantaine de kilomètres ont eu les tympans crevés. L'explosion a été entendue jusqu'à environ 4 800 km, sur l'île Rodrigues, dans l'océan Indien, et l'onde de pression a fait plusieurs fois le tour de la Terre, enregistrée par les baromètres du monde entier pendant cinq jours.
Le 15 janvier 2022, l'éruption sous-marine du Hunga Tonga, dans le Pacifique, a produit une onde de pression d'ampleur comparable. Cette fois, des instruments modernes l'ont suivie autour du globe, et son grondement a été entendu jusqu'en Alaska, à près de 10 000 km. Il y est arrivé plus de 7 heures après l'éruption : une durée cohérente avec $\Delta t = d/v$ pour une vitesse de quelques centaines de mètres par seconde.
Peut-on aller encore plus haut ? Dans l'air, vers 194 dB, la surpression de l'onde atteint la pression atmosphérique elle-même : au-delà, la « dépression » devrait descendre sous le vide, ce qui est impossible. L'onde n'est plus un son ordinaire mais une onde de choc, et l'échelle des décibels perd son sens.
Attention
Durée limite d'exposition (sans protection) avant dommages :
Au-delà de 80 dB, chaque augmentation de 3 dB (intensité doublée) divise par deux la durée d'exposition sans danger. Les cellules de l'oreille interne détruites par un son trop fort ne se réparent jamais : la perte d'audition et les acouphènes (sifflements permanents) qui en résultent sont définitifs.
Le tympan et les osselets transmettent la vibration à l'oreille interne, la cochlée, un petit tube enroulé en colimaçon et rempli de liquide. Elle contient environ 15 000 cellules ciliées, surmontées de touffes de cils microscopiques, qui transforment la vibration en signal nerveux. Chaque région de la cochlée est sensible à une plage de fréquences : les aigus à l'entrée, les graves au fond.
À savoir : se protéger
Le « seuil d'audibilité » de 0 dB correspond, par convention, au son le plus faible que l'on puisse entendre à 1 000 Hz. En réalité, le niveau le plus faible que l'on puisse entendre dépend beaucoup de la fréquence : notre oreille est très sensible entre 1 000 et 5 000 Hz (la zone des cris et des consonnes de la parole), et beaucoup moins dans les graves et les très aigus. Un son grave de 50 Hz doit atteindre environ 40 dB pour être simplement perçu !
Domaine d'audibilité d'une oreille humaine jeune (allure) : un son n'est perçu que si son point (fréquence, niveau) se trouve dans la zone bleue.
Pour finir, un quiz qui balaie tout le chapitre : les questions sont mélangées à chaque essai, et chaque réponse est expliquée.
Quiz
Testez-vous sur tout le chapitre