Comment fonctionne le son ? De la vibration de la voix aux différences avec les ondes électromagnétiques
Lorsque nous parlons, écoutons de la musique ou entendons une porte se fermer, quelque chose d’invisible se déplace entre la source sonore et nos oreilles.
Ce quelque chose est une onde mécanique.
Le son n’est donc pas une substance qui voyage dans l’air. Il correspond à une perturbation mécanique qui se propage à travers la matière, de particule en particule.
Cette caractéristique le distingue profondément des ondes électromagnétiques.
Une onde sonore a besoin d’un milieu matériel pour se propager.
Une onde électromagnétique, elle, peut se propager même dans le vide.
Cette différence fondamentale permet de comprendre aussi bien le fonctionnement de notre voix que celui de la radio, de la lumière ou des télécommunications.
Le son commence toujours par une vibration
Pour produire un son, il faut d’abord mettre quelque chose en mouvement.
Prenons une corde de guitare.
Lorsqu’on la pince, elle se met à vibrer.
Cette vibration pousse et tire alternativement les molécules d’air situées autour d’elle.
Les molécules ne parcourent pas toute la distance entre la guitare et votre oreille.
Elles oscillent principalement autour de leur position d’équilibre et transmettent leur mouvement aux molécules voisines.
On obtient alors une succession de zones où l’air est légèrement plus comprimé et d’autres où il l’est légèrement moins.
Ces variations de pression se propagent dans l’espace.
C’est l’onde sonore.
On peut résumer le phénomène ainsi :
vibration de la source
↓
variation de pression dans la matière
↓
propagation mécanique
↓
vibration du tympan
↓
signal nerveux
↓
perception du son par le cerveau
Le son a donc besoin de matière
Cette propriété est essentielle.
Une onde sonore ne peut pas se propager sans support matériel.
Elle peut voyager dans :
l’air ;
l’eau ;
le bois ;
le métal ;
les tissus biologiques ;
et de nombreux autres solides, liquides ou gaz.
Mais elle ne peut pas se propager dans le vide parfait.
C’est pourquoi, dans l’espace, une explosion ne produirait pas directement le gigantesque bruit que l’on entend dans certains films de science-fiction.
Sans atmosphère ou autre matière entre l’explosion et l’observateur, aucune onde acoustique ne peut atteindre son oreille.
L’énergie électromagnétique produite par l’explosion, en revanche, peut se propager dans le vide.
Pourquoi le son voyage-t-il différemment selon la matière ?
Parce qu’il dépend directement des propriétés du milieu qu’il traverse.
La vitesse du son dépend notamment de la rigidité, de la densité et de la structure du matériau.
Dans l’air à environ 20 °C, le son se déplace approximativement à :
343 mètres par seconde.
Dans l’eau, sa vitesse est d’environ :
1 480 mètres par seconde.
Dans certains solides, elle peut atteindre plusieurs milliers de mètres par seconde.
Cette différence peut sembler surprenante.
Nous pourrions croire que puisque les solides sont plus denses, le son devrait automatiquement y être plus lent.
Mais leur grande rigidité permet également aux perturbations mécaniques d’être transmises rapidement entre les particules.
Fréquence : grave ou aigu
Une onde sonore possède une fréquence, mesurée en hertz.
La fréquence indique combien d’oscillations se produisent chaque seconde.
Par exemple :
100 Hz = 100 oscillations par seconde.
Une fréquence relativement faible produit généralement une sensation de son grave.
Une fréquence plus élevée produit généralement une sensation plus aiguë.
L’être humain jeune et en bonne santé peut approximativement percevoir des fréquences allant de :
20 Hz à 20 000 Hz
même si cette limite supérieure diminue généralement avec l’âge.
En dessous de 20 Hz, on parle d’infrasons.
Au-dessus de 20 kHz, on parle d’ultrasons.
Et l’intensité sonore ?
La fréquence et l’intensité sont deux choses différentes.
La fréquence influence principalement la hauteur du son.
L’amplitude de la variation de pression influence davantage son intensité physique.
Un son peut donc être :
grave et puissant,
grave et faible,
aigu et puissant,
ou aigu et faible.
Le niveau sonore est souvent exprimé en décibels (dB), selon une échelle logarithmique.
Comment notre voix produit-elle une onde sonore ?
La voix humaine constitue une véritable chaîne biomécanique.
Tout commence avec les poumons.
Lorsque nous expirons, l’air remonte par la trachée et atteint le larynx.
À l’intérieur du larynx se trouvent les plis vocaux, souvent appelés cordes vocales.
Lorsque nous parlons ou chantons, ces structures peuvent vibrer sous l’action du flux d’air.
Elles ouvrent et ferment très rapidement le passage.
Le débit d’air est ainsi modulé et produit une succession de variations de pression.
Une onde sonore est née.
Les cordes vocales ne produisent pas à elles seules notre voix complète
Le son provenant du larynx est encore relativement simple.
Il doit ensuite traverser plusieurs cavités :
le pharynx,
la bouche,
les fosses nasales.
Ces cavités jouent le rôle de résonateurs acoustiques.
Elles renforcent certaines fréquences et en atténuent d’autres.
La langue, les lèvres, les dents, le palais et la mâchoire modifient ensuite continuellement la forme de ces cavités.
C’est ainsi que nous produisons différentes voyelles et consonnes.
La voix peut donc être représentée ainsi :
poumons → flux d’air → plis vocaux → vibration → résonance → articulation → parole
Pourquoi reconnaissons-nous une personne à sa voix ?
Parce qu’une voix n’est pas constituée d’une seule fréquence.
Lorsque les plis vocaux vibrent, ils produisent généralement une fréquence fondamentale accompagnée de nombreuses composantes supplémentaires appelées harmoniques.
Ensuite, les cavités vocales filtrent ce spectre.
Certaines bandes fréquentielles sont particulièrement renforcées : ce sont notamment les formants.
La combinaison entre :
fréquence fondamentale ;
harmoniques ;
formants ;
rythme ;
articulation ;
intensité ;
prosodie ;
donne à chaque voix une signature acoustique particulière.
C’est également pourquoi un microphone et un ordinateur peuvent analyser une voix dans le domaine fréquentiel avec une transformée de Fourier.
Du son à notre cerveau
Une fois produite, la parole se propage dans l’air jusqu’à l’oreille.
Le pavillon dirige une partie des ondes vers le conduit auditif.
Celles-ci atteignent ensuite le tympan et le font vibrer.
La vibration est transmise à trois petits os de l’oreille moyenne :
le marteau,
l’enclume,
l’étrier.
Le mouvement atteint ensuite l’oreille interne et la cochlée, remplie de liquide.
À l’intérieur de la cochlée se trouvent des cellules sensorielles spécialisées.
Elles transforment les vibrations mécaniques en signaux électrochimiques.
Ces informations sont transmises au cerveau par le nerf auditif.
Nous obtenons finalement :
onde mécanique → vibration biologique → signal électrique → cerveau → perception sonore.
Le son conscient que nous entendons est donc finalement une interprétation produite par notre système nerveux.
Le son rencontre de nombreuses contraintes dans la matière
Parce qu’il dépend du milieu matériel, le son est fortement influencé par son environnement.
Il peut être :
absorbé,
réfléchi,
réfracté,
diffracté,
dispersé,
ou atténué.
Un mur épais peut ainsi absorber ou réfléchir une partie importante d’une onde sonore.
Les matériaux mous et poreux, comme certains isolants acoustiques, transforment également une partie de l’énergie mécanique en chaleur.
Les hautes fréquences sont souvent plus facilement atténuées dans de nombreuses situations.
C’est l’une des raisons pour lesquelles les sons graves peuvent parfois être entendus à travers un mur alors que les sons aigus sont fortement réduits.
Le son perd de l’énergie en se propageant
Lorsqu’une onde sonore s’éloigne de sa source, son énergie se répartit sur une région de plus en plus grande.
Elle subit également des pertes dans le milieu.
Son amplitude diminue donc progressivement.
La distance, les obstacles, l’humidité, la température et la nature du matériau influencent sa propagation.
Le son est ainsi profondément dépendant de la matière qu’il traverse.
Une onde électromagnétique fonctionne autrement
Une onde électromagnétique ne correspond pas à une vibration mécanique des molécules de l’air.
Elle est constituée de variations couplées des champs électrique et magnétique.
Dans le vide, ces champs peuvent se propager sans support matériel.
La lumière provenant du Soleil traverse ainsi environ 150 millions de kilomètres d’espace presque vide avant d’atteindre la Terre.
C’est une différence fondamentale avec le son.
Son : nécessite un milieu matériel.
Onde électromagnétique : peut se propager dans le vide.
Les ondes électromagnétiques vont également beaucoup plus vite
Dans le vide, une onde électromagnétique se propage à environ :
299 792 458 mètres par seconde
soit approximativement :
300 000 kilomètres par seconde.
Comparons :
son dans l’air : environ 343 m/s
lumière dans le vide : environ 300 000 000 m/s
La lumière est donc presque un million de fois plus rapide que le son dans l’air.
C’est pourquoi nous voyons l’éclair avant d’entendre le tonnerre.
La lumière nous atteint presque immédiatement à l’échelle des distances terrestres, tandis que le son met beaucoup plus de temps.
Une vitre est transparente pour certaines fréquences, pas pour toutes
Une vitre ordinaire laisse relativement bien passer une grande partie de la lumière visible.
Nous pouvons donc regarder à travers.
Mais cette même vitre peut être beaucoup moins transparente à certaines fréquences infrarouges ou ultraviolettes.
Inversement, certains matériaux opaques à la lumière visible peuvent laisser passer d’autres rayonnements électromagnétiques.
Un mur qui bloque la lumière visible peut parfois laisser passer une partie des ondes radio.
Cela conduit à une règle très importante :
il n’existe pas simplement des matériaux “transparents” ou “opaques”.
Il existe des matériaux transparents ou opaques pour certaines fréquences électromagnétiques.
Pourquoi les ondes radio traversent-elles parfois les murs ?
Les interactions entre une onde électromagnétique et la matière dépendent notamment :
de la fréquence ;
de la conductivité électrique ;
de la permittivité ;
de l’épaisseur du matériau ;
de sa structure ;
de la polarisation de l’onde.
Certaines fréquences radio peuvent donc pénétrer relativement efficacement dans certains matériaux de construction.
D’autres sont beaucoup plus fortement absorbées ou réfléchies.
C’est pourquoi un téléphone peut parfois fonctionner dans une pièce sans ligne directe vers l’antenne.
Mais dans un bâtiment fortement blindé ou une cage de Faraday, le signal peut devenir extrêmement faible.
Et les métaux ?
Les métaux conducteurs interagissent fortement avec de nombreuses ondes électromagnétiques.
Les électrons libres présents dans le matériau réagissent au champ électrique incident.
Une partie importante de l’onde peut alors être réfléchie.
C’est précisément l’un des principes derrière le blindage électromagnétique.
Une onde électromagnétique n’est donc pas une sorte de fantôme capable de traverser toute matière sans interaction.
Elle possède simplement une capacité que le son n’a pas :
elle peut se propager dans le vide.
Une différence fondamentale de nature
Nous pouvons maintenant comparer les deux phénomènes.
Onde sonore
Le son correspond à une perturbation mécanique du milieu.
Il nécessite :
de la matière + une vibration + un couplage mécanique.
Sans matière :
pas de propagation sonore.
Onde électromagnétique
L’onde électromagnétique correspond à une variation des champs électrique et magnétique.
Elle peut se propager :
dans la matière
mais aussi :
dans le vide.
Cependant, lorsqu’elle traverse un matériau, ses propriétés peuvent être fortement modifiées.
La voix elle-même peut être transformée en onde électromagnétique
Voici une autre chose fascinante.
Lorsque nous parlons dans un téléphone, notre voix commence comme une onde mécanique.
Un microphone transforme ensuite les variations de pression acoustique en signal électrique.
L’appareil encode ce signal.
Il peut ensuite être transmis par une onde électromagnétique.
À l’autre extrémité, le processus est inversé.
voix humaine
↓
onde mécanique dans l’air
↓
microphone
↓
signal électrique
↓
signal électromagnétique transmis
↓
récepteur
↓
signal électrique
↓
haut-parleur
↓
onde mécanique
↓
oreille
↓
cerveau
Ainsi, la même information peut successivement exister sous plusieurs formes physiques.
Le son ne traverse pas le vide, mais son information peut le faire
C’est probablement l’une des distinctions les plus importantes.
Une voix ne peut pas directement traverser l’espace sous forme de son.
Mais son information peut être convertie en onde électromagnétique.
C’est exactement ce que fait une communication radio.
Dans une station spatiale ou entre la Terre et une sonde, les astronautes et ingénieurs ne s’envoient pas directement des ondes acoustiques à travers le vide.
Le son est :
capté → converti → encodé → transmis électromagnétiquement → reconverti en son.
La matière impose donc une limite au son, mais nous pouvons contourner cette limite en changeant de support physique.
Deux mondes d’ondes
Le son et l’électromagnétisme représentent finalement deux manières très différentes de transporter de l’énergie et de l’information.
Le son dépend du mouvement collectif de la matière.
Il est limité par les propriétés mécaniques du milieu.
Une onde électromagnétique peut se propager sans support matériel et atteindre des distances gigantesques dans le vide.
Mais elle n’est pas pour autant indépendante de la matière lorsqu’elle en rencontre : elle peut être absorbée, réfléchie ou transformée.
On peut résumer toute la différence ainsi :
SON
vibration → matière → propagation mécanique → oreille
ONDE ÉLECTROMAGNÉTIQUE
variation des champs électrique et magnétique → propagation dans le vide ou dans la matière → détecteur
Et notre voix nous montre à quel point ces deux mondes peuvent se rejoindre.
Elle naît sous forme de mouvement mécanique dans notre corps.
Elle devient une onde acoustique dans l’air.
Elle peut ensuite être transformée en signal électrique, puis électromagnétique, parcourir des milliers de kilomètres et finalement redevenir une vibration mécanique dans le haut-parleur de quelqu’un d’autre.
Une simple phrase prononcée par un être humain peut ainsi passer successivement de la biologie à la mécanique, de la mécanique à l’électricité, puis de l’électricité à l’électromagnétisme, avant de revenir au son et d’être reconstruite par un autre cerveau.
C’est l’une des plus belles démonstrations de la manière dont matière, énergie, information et perception peuvent se transformer tout en conservant le même message.
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