De la vibration au son

Qu’est-ce que le son ? Comment se transmet-il à travers la matière et quels sont les mécanismes de sa perception ? Comprenons les grandes lignes de ces phénomènes avec des expériences pratiques faciles et amusantes à faire à la maison ou à l’école.

D’où viennent les sons? Comment se produisent-ils ? La musique, la voix humaine et des animaux, le bruit d’un objet qui tombe ou d’un liquide qui coule, les agents atmosphériques… cela semble étonnant mais tous ces sons sont produits de la même manière : grâce à une vibration !

Un objet qui vibre produit une variation de la pression de l’air qui se propage, comme une onde, jusqu’à nos oreilles, les organes de sens permettant de la percevoir et de la traduire en message pour le cerveau. Dans le cas de la musique, l’objet qui vibre peut être une corde (guitare, violon), la peau tendue d’un tambour, un disque métallique (cymbale) ou l’air dans un tuyau (flûte, orgue). Pour la voix humaine ce sont nos cordes vocales qui vibrent : il suffit de toucher sa gorge quand on parle pour s’en apercevoir. Mais il il y a encore de nombreuses sources de vibration : des objets percutés, des surfaces qui frottent, etc.

Comment le son se propage-t-il ?

Pour que nous puissions le percevoir, le son doit faire un voyage depuis sa source jusqu’à nos oreilles. Pour ce faire, il doit traverser la matière qui s’interpose entre la source et nous. Dans la plupart des cas il s’agit de l’air, mais ça peut être de l’eau si nous sommes en train de faire de la plongée sous-marine, ou d’un mur si le son est produit dans la pièce à côté. Dans tous les cas, la matière est composée d’atomes qui se bousculent entre eux en se transmettant la vibration. Voilà pourquoi il n’y a pas de sons dans l’espace : dans le vide il n’y a pas d’atomes ! Les bruyantes batailles spatiales des films ne pourraient être, donc, que de la fiction.

Le son se transmet-il mieux à travers les gaz, les liquides ou les solides ? Cherchons la réponse avec 4 expériences pratiques
1. Le sel qui sautille

Petit défi : comment faire bouger des grains de sel ou de poivre sans les toucher et sans souffler ? Tendons un film alimentaire sur un saladier et posons y dessus des grains des sels : nous pouvons les faire sauter… en criant très fort ! Notre cri génère une vibration de l’air qui, arrivée jusqu’aux grains de sel qui sont très légers, les fait bouger. Avec cette expérience on a démontré que le son se transmet à travers l’air. On obtient le même effet si on pose du sel à proximité d’une enceinte qui transmet du son à haut volume.

2. Les deux ballons

Prenons deux ballons de baudruche. Remplissons le premier avec de l’air (en y soufflant dedans) et le deuxième avec de l’eau du robinet. Fermons les avec un nœud. Maintenant posons les deux ballons sur nos oreilles et avec un doigt tapotons sur les deux ballons. Dans lequel on entend le bruit le plus fort ? Nous allons constater que c’est le ballon rempli d’eau. D’ailleurs qui a eu l’expérience d’entendre le bruit d’un caillou qui tombe au fond de la mer le sait très bien !

3. Le téléphone à fil

Prenons deux gobelet en papier ou en plastique et relions-les avec une longue ficelle, en la faisant passer par un petit trou pratiqué au fond du gobelet. Tendons le fil et mettons deux personnes aux deux extrémités du « téléphone » : une personne parle dans un gobelet et l’autre écoute en posant le gobelet sur son oreille. Eh bien, même à une distance de 20 mètres la personne qui écoute peut entendre l’autre chuchoter ! Le son, en fait, se transmet de façon très efficace à travers un solide, dans ce cas le fil.

4. La cloche dans la petite cuillère

Prenons une petite cuillère métallique (mais ça marche aussi bien avec un cintre) et attachons-la à une ficelle d’environ 1 mètre avec un nœud au milieu, de façon que les deux extrémités de la ficelle restent libres. Mettons maintenant les extrémités de la ficelle dans nos oreilles, comme s’il s’agissait des écouteurs et assurons-nous que le fil ne touche rien (il faut pencher un peu la tête en avant pour que la cuillère ne se pose pas sur notre ventre). Demandons à quelqu’un de frapper la cuillère (attention, pas trop fort!) avec une autre cuillère. Nous allons alors entendre un fort son de cloche ! Ce n’est rien d’autre que le son de la cuillère amplifié.

À partir de ces 4 expériences, on déduit que le son se propage mieux dans les liquides et les solides que dans les gaz, comme le savaient très bien les Indiens d’Amérique qui « écoutaient » le sol pour comprendre s’il y avait des cow-boys ou des troupeaux d’animaux à l’approche. L’explication est que dans les liquides et les solides, au contraire des gaz, les atomes sont très proches les uns des autres et sont liés entre eux par des liaisons chimiques. La conséquence est que le son se propage avec des vitesses différentes selon les matériaux : il a été calculé que la vitesse du son est d’environ 330 m/s à travers l’air, de 1460 m/s à travers l’eau douce et de 3320 m/s à travers l’acier.

Comment percevons-nous les sons ?

Le son, capté par le pavillon auriculaire qui représente l’oreille externe, arrive sous forme d’onde au tympan, une membrane présente au niveau de l’oreille moyenne. Ensuite la vibration se transmet à travers trois petits os (marteau, enclume et étrier) à l’oreille interne. À l’intérieur de celle-ci des cellules spéciales transforment l’énergie mécanique de la vibration en signal électrique qui arrive au cerveau à travers le nerf auditif. Le cerveau traduit l’impulsion électrique reçue en perception du son.

Si une structure de l’oreille ou du circuit cérébral de l’audition ne fonctionne pas, on parle de déficience auditive. Les sourds peuvent néanmoins « sentir » quelques sons, surtout ceux de basse fréquence, sous forme de vibration sur leur corps, une sensation similaire à celle qu’on ressent quand, dans une boîte de nuit ou pendant un concert, les enceintes transmettent la musique à très haut volume.

L’ouïe des autres animaux

Un grand nombre d’animaux perçoit les sons, mais pas toujours comme nous. Les mammifères, en général, ont une oreille qui ressemble un peu à la nôtre, alors que les autres animaux peuvent entendre à travers des structures très différentes. Les serpents, par exemple, perçoivent les vibrations du sol à travers tout leur corps mais en particulier avec leur mâchoire. Certains insectes possèdent des espèces de tympans situés sur leurs pattes. Les poissons ont une oreille interne mais utilisent aussi, à ce but, de la ligne latérale, un organe qui sert à détecter les mouvements de l’eau.

Certains animaux peuvent entendre des sons que nous n’entendons pas. Par exemple les chauve-souris et les dauphins entendent (et émettent) les ultrasons, des sons très aigus, alors que les éléphants et les baleines émettent et captent les infrasons, des sons très graves.

On sait que les chauve-souris utilisent l’émission et la perception d’ultrasons pour s’orienter dans l’espace et repérer leurs proies. Mais bien d’autres animaux utilisent les sons au delà du seuil de notre perception pour l’écholocalisation et la communication avec leurs semblables : les souris, les musaraignes, les tarsiers de Philippine, certains cétacés et certains oiseaux.

Et les autres êtres vivants ?

Il a été démontré, depuis les années 80, que certaines bactéries comme Bacillus carboniphilus ou Escherichia coli réagissent à certains sons en augmentant la croissance de la colonie, alors que d’autres, comme Bacillus subtilis, en produisent. Une explication possible serait que même les micro-organismes utilisent le son pour communiquer !

Pour ce qui concerne les plantes, on en est encore au stade d’études préliminaires, mais il a été prouvé que des racines des jeunes plants de maïs, soumises à un son d’une fréquence d’environ 200 Hz, poussaient vers la direction du son, et très récemment que les racines de petit pois poussent dans la direction d’une source d’eau quand elle se trouve en proximité, même en absence de gradient d’humidité.

Pour en savoir plus sur l’utilisation du son et sur d’autres talents insoupçonnés des plantes, vous pouvez lire mon chapitre dans le livre La science à contre-pied, publié par les Editions Belin.

Pour les illustrations de ce billet, je remercie Professeur Seedious

Cet article est paru dans le numéro 190 (février 2017) de Cosinus, je journal de mathématique et sciences pour jeunes, Editions Faton.

Pour aller plus loin 

La science à contre-pied, Editions Belin

Gagliano M. et al., 2012, « Towards understanding plant bioacoustics », Trends in Plant Science, Volume 17, Issue 6, p323–325

Gagliano M. et al., 2012, « Acoustic and magnetic communication in plants: is it possible? », Plant Signaling and Behavior, Vol. 7, p. 1346-1348

Michio Matsuhashi et al. 1998, «Production of sound waves by bacterial cells and the response of bacterial cells to sound», The Journal of General and Applied Microbiology 44(1):49-55

2 réflexions au sujet de « De la vibration au son »

  1. Très intéressant et très complet, merci. J’ai bien aimé les sautillements du sel ! Cela complète bien mon texte « Le son et les instruments de musique ». Amitiés, Jacques

    (je viens de recevoir la « Science à contrepied »)

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