Son : production, propagation et vitesse

Le son, c'est une vibration qui voyage — mais pas n'importe où ni à n'importe quelle vitesse.

1 L'idée

Un son est produit lorsqu'un objet vibre : une guitare fait vibrer ses cordes, une cloche vibre quand on la frappe, les cordes vocales vibrent quand on parle. L'objet qui vibre s'appelle la source sonore.

La vibration se transmet de proche en proche aux molécules du milieu environnant. Le son a besoin d'un milieu matériel pour se propager : un gaz, un liquide ou un solide. Dans le vide, il n'y a pas de molécules : le son ne peut pas s'y propager.

2 Vitesse du son selon le milieu

La vitesse du son dépend du milieu traversé. Plus le milieu est dense et rigide, plus le son se propage vite.

Dans l'air (gaz) : $v \approx 340$ m/s
Dans l'eau (liquide) : $v \approx 1\,500$ m/s
Dans l'acier (solide) : $v \approx 5\,000$ m/s

Le son va donc environ 4 fois plus vite dans l'eau que dans l'air, et environ 15 fois plus vite dans l'acier.

3 Relation distance — vitesse — durée

Distance parcourue

$d = v \times t$

Vitesse du son

$v = \dfrac{d}{t}$

Durée de propagation

$t = \dfrac{d}{v}$

4 Exemple — Distance d'un orage

Éclair et tonnerre

On voit un éclair, puis on entend le tonnerre $t = 3$ s plus tard. Quelle est la distance de l'orage ? On suppose que la lumière arrive instantanément ; $v = 340$ m/s.

$d = v \times t = 340 \times 3 = 1\,020$ m

L'orage est à $1\,020$ m, soit un peu plus d'un kilomètre.

Méthode — Résoudre un problème de propagation sonore

Identifier la grandeur cherchée : $d$, $v$ ou $t$.
Écrire la relation : $d = v \times t$.
Isoler l'inconnue et substituer les valeurs numériques avec leurs unités.
Vérifier la cohérence : distance en mètres (m), durée en secondes (s), vitesse en m/s.
Si le son fait un aller–retour (écho, sonar), la profondeur est $d = \dfrac{v \times t}{2}$.

Erreurs fréquentes

Le son ne se propage pas dans le vide : un milieu matériel est indispensable.
Ne pas confondre la vitesse du son ($340$ m/s dans l'air) et la vitesse de la lumière ($300\,000$ km/s) : la lumière est environ 880 000 fois plus rapide.
Pour un écho ou un sonar, la durée mesurée est celle de l'aller–retour : on divise la distance totale par 2 pour obtenir la profondeur réelle.
Vérifier les unités : une durée en millisecondes doit être convertie en secondes avant le calcul.