Ondes acoustiques

Introduction

Le son accompagne chaque instant de la vie quotidienne : la voix qui porte un cours au fond d'une salle, le diapason qui donne le \(\textit{la}\) à 440 Hz, la sirène d'une ambulance dont la hauteur « tombe » quand elle nous dépasse, l'échographie qui image un fœtus avec des ultrasons. Derrière ces phénomènes se cache un unique objet physique : l'onde acoustique. Mais que se propage-t-il exactement ? Certainement pas de la matière — l'air devant un haut-parleur ne part pas voyager jusqu'à l'auditeur.

Ce qui se propage, c'est une perturbation : une petite variation locale de pression et de vitesse des tranches de fluide, qui se transmet de proche en proche. Le fil conducteur de la leçon est donc : un son est une onde mécanique de pression, qui a besoin d'un milieu matériel pour se propager, et qui transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une expérience de pensée fondatrice le résume : sous une cloche à vide, une sonnette électrique cesse d'être entendue à mesure qu'on pompe l'air, alors qu'on la voit toujours vibrer. Pas de milieu, pas de son — contrairement à la lumière.

Nous suivrons une progression qui épouse le curriculum : d'abord la description phénoménologique accessible dès le lycée (nature de l'onde, célérité, intensité et décibels, effet Doppler), puis la mise en équation de la CPGE (approximation acoustique, équation de d'Alembert, impédance). Un point de vigilance dès maintenant : il faudra distinguer soigneusement l'intensité sonore \(I\), grandeur physique en W·m⁻², et le niveau \(L\) en décibels, qui n'est pas une énergie mais une échelle logarithmique construite pour coller à la perception de l'oreille.

I. Le son, onde mécanique dans un fluide Terminale spé

Une onde sonore est une onde mécanique : elle correspond à la propagation d'une perturbation dans un milieu matériel déformable (gaz, liquide ou solide), sans déplacement global de ce milieu. Dans un fluide, cette perturbation est longitudinale : les tranches de fluide oscillent parallèlement à la direction de propagation, créant une alternance de compressions (surpression) et de raréfactions (dépression) qui se déplace à la célérité \(c\).