Chapitres
- 01. Source d'une onde sonore ou ultrasonore
- 02. Fréquences des ondes sonores et ultrasonores
- 03. Vitesse du son
- 04. Sons purs et sons complexes
- 05. Spectre d'un son
- 06. Hauteur d'un son
- 07. Timbre d'un son
- 08. Interférences
- 09. Le phénomène de battements
- 10. L'effet Doppler
- 11. Effet de résonance avec une onde sonore
- 12. Utilisation des ondes 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
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. 
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
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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M. Yann Merci infiniment pour cet article très édifiant.
Une remarque : prendre l’exemple du téléphone pour expliquer les problèmes liés à la vitesse du son est peut-être un peu problématique.
Je suis tombée par hasard sur cet article en faisant une recherche sur les ultrasons.
Ce n’est pas du tout ce que je cherchais mais j’ai été passionnée dès le début ! La physique chimie, les maths enfin le domaine scientifique ça a toujours été une horreur pour moi mais là c’est vraiment bien expliqué, détaillé et intéressant, merci ! Ça me donnerait presque envie de m’y mettre mais j’aurais peur de ne plus autant apprécier autant la musique en l’analysant. Si tout le monde avait un prof comme vous je pense qu’il y aurait eu moins d’élèves avec une moyenne pitoyable comme j’avais car en ayant déjà peu d’attraits pour la matière en elle-même et ensuite des professeurs qui ne savent pas toujours donner goût en la matière… Du coup je mets en favoris, je reviendrai et encore merci ! 🙂
Bonjour, cet article est super bien expliqué mais je ne comprend pas pourquoi l’on n’utilise pas d’infrasons pour les échographies ou les sonars ? Le problème vient-il du fait qu’ils sont trop “lent” ou y a-t-il une autre raison?
Merci d’avance.
Effectivement comme vous dites les infrasons sont trop ‘lent’ ils ne vibrent pas assez vite pour voir correctement le corps du bébé. On verra quelque chose comme une grosse tache et non les détails du corps.
Bonjour, c’est parce que l’on utilise des ultrasons. Les infrasons ont une fréquence inférieure à 20 Hz tandis que les ultrasons ont une fréquence supérieurs à 20.000 Hz.
Bonne journée.
Article explicatif, merci pour votre professionnalisme et haut niveau