Expliquons les ondes sonores

Cet article sera une introduction sur les ondes en général, les différents types d'ondes et leurs caractéristiques...

1. Domaine de fréquences

Les ondes sonores sont émises par une source, comme par exemple une voix humaine, un instrument de musique ou encore un diapason. Elles sont mises en évidence par un récepteur (oreille humaine/animale ou sonomètre).

Source :vb-audio.pagesperso-orange.fr

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Les ondes sonores sont caractérisées par des mouvements périodiques qui créent des ondes de pression.

Ainsi que par un paramètre de propagation de l'onde sonore.

La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde au cours d'une période. C'est la plus courte distance séparant deux points de l'onde strictement identiques à un instant donné.

Les ondes sont mécaniques et se propagent donc dans un milieu matériel élastique : à travers l'air bien sûr, mais aussi dans l'eau, ou à travers un mur. Par contre, le son ne se transmet pas dans le vide qui n'est pas un milieu matériel élastique.

Chaque onde est caractérisée par sa fréquence ce qui permet de classer les ondes en 3 classes :

- Les infrasons qui ont une fréquence inférieure à 20 Hz. Ils sont audibles par certains animaux comme les éléphants et leur permettent de communiquer.

- Les sons qui sont audibles par l’oreille humaine sont compris entre 20 Hz et 20 000 Hz. Les sons de basse fréquence sont les sons graves, les sons aigus sont des sons de haute fréquence.

- Les ultrasons qui ont des fréquences supérieures à 20 000 Hz. Ils sont audibles par les chauves-souris, les chats, les dauphins.

Le domaine de fréquences audibles pour l'Homme

Source: maxicours.com

2. Approfondissons sur les ultrasons

a. Un peu d'histoire

Depuis bien longtemps on sait que les animaux tels que les baleines, les dauphins ou encore les chauves-souris utilisent les ultrasons dans le but de trouver la localisation d'un objet ou mieux d'une proie.

En 1883, un physiologiste anglais nommé Francis Galton invente un « sifflet à ultrasons ». Une expérience a été faite à partir de ce sifflet: un homme et un chien ont été placés dans une pièce ensemble. En soufflant dans ce sifflet, l'homme ne perçoit rien et ne réagit pas, contrairement au chien qui lui va réagir.

Mais c'est surtout en 1880, la découverte de la piézo-électricité, par les frères Pierre et Jacques Curie, qui a permis après, en 1883 de produire facilement des ultrasons et de les utiliser.

Les premières études des ultrasons n'étaient pas destinées aux humains. Ainsi ils étaient plutôt utilisés durant la première guerre mondiale, par exemple pour détecter les sous-marins.

En 1918, Langevin les utilise pour mesurer la profondeur et détecter la présence d'icebergs avec les sonars qui commencent à se répandre à partir de 1920 et qui sont les premiers appareils à ultrasons.

C'est seulement à partir de 1970, qu'on utilise les ultrasons dans la médecine. En effet Wild

et Reid s'en servent pour faire les premières images échographiques.

b. Qu'est ce qu'un ultrason ?

On peut caractériser une onde ultrasonore par plusieurs éléments :

-Par sa fréquence que l'on a évoquée un peu plus haut (Les ultrasons sont des vibrations de fréquences comprises de 20 kHz à plusieurs milliers de kilohertz).

-Par sa réflexion que nous allons expliquer dans la seconde partie

-Par son impédance acoustique Z, qui caractérise la résistance qu'un milieu oppose à sa mise en mouvement lorsqu'il est traversé par une onde acoustique. Elle dépend de la masse volumique et de la compressibilité du milieu, c’est-à-dire de son aptitude à reprendre sa forme originale après déformation.

Avec :

Z =impédance acoustique exprimée en Kg/m²/s

X= la compressibilité du milieu en m2.s.kg-1.

µ= la masse volumique en kg.m-3.

-Par sa célérité, c'est à dire la vitesse de propagation de l'onde dans un milieu. Pour celle-ci on se sert de l’impédance acoustique. On fait le rapport de l’impédance acoustique sur la masse volumique :

Avec :

c= célérité en m/s

Z= impédance acoustique en Kg/m²/s

µ= masse volumique en kg.m-3.

Une méthode plus simple peut être utilisée. Elle est évoquée plus bas dans la partie de la vitesse de propagation.

-Par sa longueur d’onde λ. Celle-ci est définie par le rapport de la célérité sur la fréquence :

λ= C/ f

Avec λ, la longueur d’onde en rad/m ; la célérité en m/s et la fréquence en Hz.

Pour produire ou détecter les ultrasons on utilise les phénomènes de piézoélectricité (propriété de certains corps à se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique) ou de magnétostriction (propriété que possèdent certains matériaux de se déformer selon l'orientation de leur aimantation). Les applications des ultrasons sont nombreuses : détection sous-marine, sonar, échographie, usinage de pièces, exploration de la surface d'un matériau, localisation des défauts à l'intérieur d'une pièce, mesure de l'épaisseur des matériaux, ainsi que l'écholocation chez la chauve-souris par exemple.

3. Mode de propagation

a. comment se propage le son ?

Le son se propage par le changement de la pression dans le milieu où il circule. La pression est une mesure des forces qui s'exercent sur les particules d'un milieu. Cette variation de pression est induite par un mouvement des particules d'air. Ces particules se déplacent, se heurtent, et exercent donc des forces supplémentaires sur leurs voisines, etc... On peut appeler ces ondes des ondes de compression-décompression, c'est à dire que l'onde ne modifie pas le milieu dans lequel elle passe. L'onde va "comprimer" et "décomprimer" le milieu, qui après le passage de l'onde restera inchangé.

b. la vitesse de propagation

Les ondes peuvent se propager dans plusieurs milieux différents, voici quelques valeurs :

●Dans l’air : La vitesse de propagation du son dans l’air sec à une température de 0°C est d'environ 331.6 m/s ; la vitesse du son augmente lorsque la température augmente (à 20°C, la vitesse du son est de 334 m/s). La variation de pression dans un milieu de densité constante, ne fait pas varier la vitesse de propagation. La vitesse dépend de la densité du gaz : si les molécules du gaz sont très lourdes, elles auront du mal à se déplacer, le son se déplacera donc moins vite => Plus le gaz est dense, plus la vitesse de propagation du gaz sera lente dans un liquide ou un solide. Le son se propage généralement plus vite dans un liquide ou dans un solide que dans l’air.

●Dans un solide : La vitesse de propagation du son dans de l’acier est de 5000 m/s, dans du cuivre, elle est de 3353 m/s à une température ordinaire. Cette vitesse décroît lorsque la température augmente, car l’élasticité du milieu diminue

●Dans un liquide : Dans l’eau, la vitesse du son est égale à 1525 m/s à une température ordinaire et augmente lorsque la température augmente.

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