Introduction
Le monde qui nous entoure est rempli de sons : le chant d’un oiseau, une note de piano, le bruit du vent. Mais derrière ces phénomènes familiers se cachent des vibrations physiques de l’air que notre oreille perçoit. Le son est en réalité une onde mécanique longitudinale : il correspond à une succession de compressions et de raréfactions d’un milieu matériel (air, eau, solide). Sans milieu matériel, comme dans le vide, aucun son ne peut se propager. Comprendre la nature physique du son, c’est relier des grandeurs mesurables (fréquence, intensité, spectre) à la manière dont nous percevons la hauteur, le volume et le timbre.
Le son pur : une vibration sinusoïdale
Un son pur correspond à une vibration parfaitement régulière, représentée par une onde sinusoïdale. Deux grandeurs principales le décrivent. La fréquence, exprimée en hertz (Hz), indique le nombre d’oscillations par seconde. Par exemple, un son de 100 Hz vibre cent fois par seconde et paraît grave, alors qu’un son de 1000 Hz paraît aigu. La hauteur perçue du son est directement liée à cette fréquence.
L’amplitude de l’onde mesure l’élongation maximale des particules du milieu ; elle traduit l’énergie transportée par l’onde. L’intensité sonore, quant à elle, correspond à la puissance transportée par le son par unité de surface (exprimée en W·m⁻²). Pour exprimer cette intensité de manière commode, on utilise le niveau sonore, mesuré en décibels (dB). L’échelle est logarithmique : une augmentation de 10 dB correspond à une intensité physique multipliée par 10. Cependant, la perception humaine n’est pas linéaire : un son 10 fois plus intense n’est pas perçu comme « 10 fois plus fort ». En moyenne, l’oreille juge qu’une augmentation de 10 dB correspond à un son environ « deux fois plus fort ».
Un exemple de son pur est donné par le diapason, qui émet une onde régulière de 440 Hz, utilisée comme référence pour la note « la » en musique.
À retenir
Un son pur est décrit par une onde sinusoïdale. La fréquence (en Hz) fixe la hauteur perçue, l’intensité sonore (en W·m⁻²) se traduit par un niveau sonore en dB, et l’amplitude traduit l’énergie de l’onde.
Le son composé : fondamentale, harmoniques et spectre
La plupart des sons naturels ou musicaux ne sont pas purs mais composés. Ils résultent de la superposition de plusieurs ondes sinusoïdales. La fréquence fondamentale est la plus basse composante : elle fixe la note perçue. Les autres composantes sont les harmoniques, souvent des multiples de la fondamentale (par exemple 440 Hz pour la fondamentale, puis 880 Hz, 1320 Hz, etc.). Ces harmoniques ne changent pas la hauteur, mais donnent au son son timbre, c’est-à-dire sa couleur sonore.
On peut représenter un son par son spectre, un graphique où chaque trait correspond à une fréquence. Pour un son pur, le spectre ne montre qu’une seule raie. Pour un son composé, on observe une raie pour la fondamentale et d’autres pour les harmoniques. C’est cette structure spectrale qui fait qu’un violon et une flûte jouant la même note sont perçus différemment.
L’oreille humaine est sensible aux fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz. Les sons inférieurs à 20 Hz sont des infrasons, et ceux supérieurs à 20 kHz des ultrasons. Comparer nos limites à celles des animaux rend la notion plus concrète : les chiens entendent jusqu’à environ 45 000 Hz, les chauves-souris jusqu’à 100 000 Hz (écho-location), tandis que les éléphants utilisent des infrasons de quelques hertz pour communiquer sur de longues distances.
À retenir La fréquence fondamentale fixe la hauteur perçue, les harmoniques définissent le timbre, et le spectre sonore permet de visualiser cette répartition en fréquences.
Débats historiques et construction scientifique
Au XVIIIe siècle, la question des cordes vibrantes suscita une controverse entre d’Alembert, Euler et Bernoulli. Chacun proposait des équations différentes pour décrire les vibrations d’une corde de violon ou de clavecin. Ces débats contribuèrent à la compréhension qu’un mouvement complexe pouvait être décomposé en vibrations simples.
Cette idée fut mathématiquement formalisée au XIXᵉ siècle par Joseph Fourier, qui montra que toute fonction périodique pouvait se décomposer en une somme de sinusoïdes. Cette théorie de la décomposition spectrale est aujourd’hui à la base de l’acoustique moderne et du traitement du signal.
À retenir
Les débats sur les cordes vibrantes puis la formalisation de Fourier ont permis de fonder l’acoustique et la science du son.
Applications et perception
La compréhension physique du son a conduit à de nombreuses applications :
En musique, l’analyse spectrale permet d’accorder les instruments et de comprendre les timbres.
En médecine, les ultrasons sont utilisés pour l’imagerie (échographies) et certaines thérapies.
En technologie, l’acoustique sert à l’insonorisation des bâtiments, à la réduction du bruit ou à la conception d’enceintes audio.
Ces applications illustrent le lien entre les propriétés physiques du son (fréquence, spectre, intensité) et leurs usages concrets dans la société.
À retenir
Les applications modernes exploitent les propriétés des sons : musique, médecine (ultrasons), insonorisation, technologies du son.
Conclusion
Un son est une onde mécanique longitudinale faite de compressions et de raréfactions, qui nécessite un milieu matériel pour se propager. Un son pur correspond à une onde sinusoïdale caractérisée par sa fréquence (hauteur), son intensité (volume perçu en dB) et son amplitude (énergie transportée). Un son composé se décompose en une fondamentale et en harmoniques, visibles dans un spectre sonore et responsables du timbre. L’histoire des sciences, des controverses sur les cordes vibrantes à la formalisation de Fourier, a construit cette compréhension. Aujourd’hui, ces connaissances trouvent des applications multiples, de la musique aux technologies médicales, montrant que la physique du son est à la fois un objet de savoir et un outil au service de la société.