Qu'est-ce que le son ?

Lorsqu’on lance un air entraînant, on ne tarde pas à y prendre plaisir. Cela tient entièrement au fonctionnement de l’oreille humaine, qui convertit ce qu’on appelle l’énergie mécanique des effets sonores en signaux électrochimiques. Par l’intermédiaire de l’audition, le cortex cérébral transforme le son reçu en quelque chose que nous pouvons percevoir. Pourtant, ce n’est pas encore l’explication complète de l’histoire. Pour vraiment comprendre la musique, il faut savoir ce qu’est le son, et ce, avant même qu’il ne soit traité par notre corps.

Définition du son

Le Grand Van Dale décrit le son comme des vibrations dans l’air perçues par l’organe de l’audition. Plusieurs autres dictionnaires souscrivent à cette définition et établissent donc un lien entre des vibrations ou une variation de la pression de l’air et leur perception. Selon eux, ce que nous ne pouvons pas entendre n’est donc pas du son. En toute logique, un dauphin par exemple percevra le son différemment d’un être humain : ce qui est du son pour un dauphin ne l’est pas nécessairement pour l’homme. C’est du moins ainsi que nous pouvons décrire le son dans sa forme la plus étroite.

D’un point de vue scientifique, nous pouvons cependant décrire le son de manière beaucoup plus large. Ici, nous quittons la piste égocentrique de l’organe auditif humain et parlons, au sens large, des effets sonores ou des vibrations qui se déplacent dans l’air et qui peuvent être captés par un organe de l’audition. Dans une vision encore plus étendue, nous ne nous limitons enfin pas aux variations de la pression de l’air, car il peut tout aussi bien s’agir d’un autre milieu. De plus, on peut également employer le terme « son » lorsqu’il ne s’agit plus d’une variation audible. C’est ainsi que l’on parle aussi d’« ultrasons ».

Comment naissent ces effets sonores ?

Les ondes sonores naissent de vibrations de l’air. Il en est ainsi parce que ces subtils tremblements compriment localement les particules d’air. De ce fait, la pression de l’air y devient plus élevée, après quoi les particules comprimées entrent en contact avec les particules environnantes. Il en résulte une réaction en chaîne au cours de laquelle l’énergie est sans cesse transmise : le son se déplace jusqu’à ce qu’il finisse par revenir au repos. C’est d’ailleurs immédiatement la raison pour laquelle le son est un phénomène terrestre. Si deux satellites entraient en collision dans l’espace et se pulvérisaient en des milliers de morceaux, aucun son ne serait perceptible. Il n’y a en effet ici ni air ni autre milieu pouvant déplacer les ondes, et encore moins de quoi faire naître des ondes sonores…

Cela explique également le fonctionnement d’un haut-parleur, qui n’est en réalité qu’un composant mis en vibration, certes de manière ingénieuse. Ces mouvements vont faire en sorte que l’air autour du haut-parleur soit lui aussi mis en mouvement. On peut peut-être le comparer au mieux à un petit caillou dans l’eau : il se forme de petites ondes qui s’éloignent de la source. À mesure que ces cercles s’agrandissent, de plus en plus de particules d’air doivent se partager l’énergie du cercle précédent, si bien que le son finit par s’éteindre doucement. Il le fait toutefois à une vitesse d’environ 300 m/s, mais il n’est pas illogique que le son s’affaiblisse à mesure que l’on s’éloigne de la source sonore. Si vous vous tenez suffisamment loin de la source sonore, le son finira par ne plus être audible. Plus audible pour l’homme, car certains animaux entendent tout simplement bien mieux que nous.

À quoi ressemble une onde sonore ?

Voir le son, nous ne le pouvons pas. Du moins, pas sans aides techniques. Mais, comme le mot l’indique d’ailleurs déjà, une onde sonore se compose donc d’une onde. Une telle onde possède à son tour une longueur d’onde et une amplitude. Le nombre de fois qu’une telle onde se répète, on l’appelle ensuite la fréquence. Cette fréquence n’est pas sans importance : l’oreille humaine peut par exemple entendre une fréquence minimale de vingt et une fréquence maximale de 20 000 hertz. La longueur d’onde y est d’ailleurs inversement proportionnelle : lors d’une augmentation de la fréquence, la longueur d’onde devient plus courte (son plus aigu) et inversement.

L’amplitude est quant à elle la conséquence de la différence entre la valeur moyenne de la pression et la valeur maximale de la pression. L’intensité qui en découle, nous la définissons par le terme mieux connu de décibel. Ce terme non plus n’est pas sans importance : à partir de 120 décibels, des lésions auditives surviennent lors d’une exposition de courte durée. Le seuil de la douleur se situe toutefois à 134 décibels, ce qui explique pourquoi des lésions auditives peuvent aussi survenir sans qu’on s’en aperçoive.

Enfin, nous avons déjà évoqué plus haut que les effets sonores se comportent tout comme les ondes de l’eau. Ils peuvent ainsi se courber autour d’un objet, ricocher, changer de direction ou entrer en contact avec d’autres ondes sonores, après quoi ils se renforcent ou s’annulent mutuellement. Ce dernier phénomène est aussi le principe de fonctionnement des casques spécialisés : ils émettent un son afin d’annuler d’autres effets sonores.

La vitesse du son n’est pas une constante

Nous avons indiqué plus haut que la vitesse du son est d’environ 300 m/s. En réalité, ce n’est pas tout à fait exact. C’est plus ou moins vrai pour les déplacements dans l’air, mais le son peut aussi se déplacer à travers des solides et des liquides. Ainsi, la vitesse du son dans l’aluminium est par exemple de 6 260 m/s à 293 degrés Kelvin (+/- la température ambiante) et de 1 120 m/s dans le méthanol à une température comparable. Dans le dioxyde de carbone, le son est en revanche bien plus lent, avec une vitesse de 259 m/s à 273 degrés Kelvin (+/- le point de congélation).

Dans l’air aussi, l’affirmation selon laquelle la vitesse du son serait d’environ 300 m/s n’est pas tout à fait vraie. On utilise en effet ici une formule compliquée pour déterminer la vitesse du son.

Formule de la vitesse du son :**√[γ(RT/M)]

Nous laissons de côté une discussion détaillée, mais retenez surtout que la température et l’humidité de l’air y jouent un rôle important. À une température de 233 degrés Kelvin (environ – 40 °C), le son sera effectivement d’environ 307 m/s, mais à une température plus chaude de 313 degrés Kelvin (environ + 40 °C), elle grimpera déjà jusqu’à une valeur bien plus élevée de 354 m/s. Dans l’air, le son se propagera donc plus vite si la température est plus chaude. Dans la pratique, le son se propage cependant si rapidement qu’après une avalanche, ce ne sera certainement pas votre plus grande préoccupation.

Enfin, lorsqu’on parle de la vitesse du son dans l’eau, la formule devient encore bien plus compliquée. Nous devons en effet ici non seulement tenir compte de la température, mais aussi de la teneur en sel et de la profondeur de l’eau.

Le son pour l’homme et l’animal

Pour l’oreille humaine, les vibrations sonores sont perceptibles dans une plage d’environ 20 à 20 000 hertz (20 kHz). Toutefois, cela diffère d’une personne à l’autre. Les personnes âgées en particulier auront plus de mal à percevoir les vibrations sonores aux fréquences élevées.

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L’importance de la fréquence pour l’homme et l’animal

La limite auditive inférieure de 20 Hz, nous la connaissons principalement comme la frontière avec les infrasons. De tels infrasons, nous ne pouvons pas les entendre, mais nous pouvons parfois en ressentir les vibrations. Les infrasons sont toutefois utilisés par un certain nombre d’animaux. Ils les aident en effet à communiquer sur de longues distances. Les éléphants, les rhinocéros et les girafes, entre autres, utilisent pour cette raison les infrasons. Pourtant, ils peuvent aussi servir à un autre usage. Certaines espèces de baleines utilisent en effet les infrasons pour paralyser leurs proies, principalement les calmars.

Lorsqu’on dépasse la limite auditive supérieure (20 kHz), on parle d’ultrasons. Certaines espèces animales se servent des ultrasons pour s’orienter (par ex. les chauves-souris) ou pour repérer leurs proies (par ex. les dauphins). L’homme a toutefois lui aussi imaginé un certain nombre d’applications. Une application importante des ultrasons est l’échographie (rendre visibles, au moyen des ultrasons, les différences entre les tissus mous et durs). On trouve un autre exemple dans le domaine dentaire (nettoyage des instruments dentaires et élimination du tartre). Pour une autre application des ultrasons, il faut cependant déjà remonter dans le passé : dans les années 70, on les utilisait par exemple pour commander les téléviseurs.

Enfin, il existe encore une dernière catégorie de son : les hypersons. Il s’agit ici de son dont les fréquences débutent à partir de 800 MHz. En réalité, la notion n’est apparue que parce que l’homme a longtemps été incapable de générer de telles fréquences sonores. Grâce à l’effet piézoélectrique, ce n’est aujourd’hui plus un obstacle. On les utilise notamment pour étudier les solides.

L’importance du niveau sonore pour l’homme et l’animal

Ce n’est pas seulement la fréquence sonore qui joue un rôle, le niveau sonore (dB) aussi. En principe, l’homme peut également entendre un niveau sonore compris entre 0 et 130 dB, mais ce n’est pas toujours le cas. On parle dans ce cas de surdité due au bruit. En cas de perte auditive de trente à soixante dB, on utilisera le plus souvent une aide auditive. À titre de comparaison : le bruissement des feuilles a un niveau sonore d’environ 10 dB, tandis qu’une télévision réglée à un niveau de salon (+/- 1 mètre de distance) a un niveau sonore d’environ 60 dB.

À côté de cela, nous devons aussi tenir compte du caractère désagréable des sons forts. À partir de 90 dB, des lésions auditives apparaissent en effet déjà lors d’une exposition prolongée. C’est à peu près le bruit que vous ressentez lorsque vous vous tenez le long d’une autoroute. Une discothèque a quant à elle des niveaux sonores qui montent jusqu’à 100 dB, comparable au bruit d’un marteau-piqueur à un mètre de distance. Ici, nous dépassons le nombre maximal de décibels pour une exposition prolongée : faites donc particulièrement attention aux week-ends de festival où vous êtes exposé sans interruption à des niveaux sonores élevés.

À partir d’un maximum de 120 dB, des lésions auditives surviennent en revanche lors d’une exposition de courte durée. C’est à peu près le bruit d’un réacteur d’avion à +/- 100 mètres de distance. Le seuil de la douleur se situe enfin à 134 dB, soit moins que le bruit que nous ressentons lors d’un coup de fusil à un mètre de distance. Dans de tels cas, des lésions auditives surviendront, sans moyens de protection, à peu près systématiquement.

Diverses applications du son

Le son n’est pas seulement utilisé par l’homme pour vivre la musique. Il est par exemple aussi très important pour la communication entre nous. Pourtant, le nombre d’applications (potentielles) est bien plus vaste que cela. L’échographie évoquée plus haut, entre autres, le démontre. Si nous connaissons la vitesse du son ou d’autres caractéristiques, nous pouvons en effet déterminer beaucoup de choses. Nous avons par exemple évoqué plus haut que nous pouvons calculer la vitesse du son dans l’eau. En émettant une impulsion sonore sous l’eau et en mesurant le temps que met l’impulsion à se réfléchir, nous pouvons en effet calculer la distance jusqu’à un objet ou jusqu’au fond marin. Le son est, en d’autres termes, plus qu’un don musical, un moyen de communication ou un signal d’avertissement : il constitue une partie intégrante de nos connaissances techniques contemporaines.

Le caractère audible du son

Tout cela nous ramène enfin de nouveau à ces deux limites magiques : 20 Hz et 20 kHz. Le son situé entre ces deux limites est en effet, pour nous, la forme la plus « tangible » du son. C’est le klaxon de la voiture, mais c’est aussi la Neuvième Symphonie en ré mineur. C’est le son dans sa forme la plus étroite : le son tout simplement perceptible par l’homme. Reste finalement la question de savoir comment nous pouvons à présent percevoir ce son.

C’est en fait le pavillon de l’oreille qui capte les vibrations sonores et les amène, via le conduit auditif, jusqu’au tympan. Au niveau du tympan, le son est transmis aux osselets de l’oreille (le marteau, l’enclume et l’étrier), qui agissent comme un amplificateur. Ensuite, le liquide dans la cochlée se met en mouvement, ce qui amène également les cellules ciliées à suivre cet exemple. Ces mouvements stimulent enfin les terminaisons nerveuses qui sont en connexion avec le tronc cérébral. Le cerveau va ensuite « traduire » les stimuli entrants et les envoyer vers le thalamus. Cette partie du cerveau traite également les informations de ce que nous voyons ou ressentons et va interpréter les « informations traduites ». Cette interprétation est enfin transmise au cortex cérébral.

C’est dans le cortex cérébral que le son audible arrive au terme de son voyage. C’est ici qu’il reçoit une signification. Il le relie à nos souvenirs. Il nous aide à reconnaître le son : la voix d’une mère ou le bruit d’un train qui fonce. Ces souvenirs peuvent également susciter des émotions. Entendre la voix d’une personne décédée peut par exemple être la cause d’un sentiment de tristesse ou de bonheur, même si nous ne reconnaissons pas la voix ou que nous n’y prêtons pas attention. Tout comme le son est merveilleux, il en va de même pour notre cerveau. C’est d’ailleurs précisément pour cela que nous aimons tant le son et que des musiciens célèbres peuvent mener une vie fastueuse.

Donner davantage de signification au son est une partie de ce qui fait des hommes des hommes.