Si un arbre tombe dans la forêt mais que personne n'est là pour l'entendre, un son a-t-il été émis ? Oui, bien sûr. Lorsque l'arbre heurte le sol, la force de la collision fait vibrer les molécules du tronc, des branches et des feuilles de l'arbre, et de la poussière, des roches et des plantes sur le sol. Ces vibrations – des ondes longitudinales avec une alternance de haute et basse pression – s'étendent dans toutes les directions à 1.236 km/h. Qu’un tympan se trouve à proximité ou non pour absorber ces ondes sonores n'est pas la question. Le son est une vibration pure.
Imaginez-vous jouer d'un tambour au ralenti. Vous frappez la peau du tambour avec un bâton et elle s'incurve momentanément, puis reprend sa forme. À chaque compression, la pression de l'air autour de la peau baisse, et à chaque dilatation elle augmente. Lorsque le tambour vibre, il envoie des ondes de pression oscillantes qui perturbent les molécules d'air autour du tambour. La pression élevée compresse momentanément les molécules d'air ensemble, et la basse pression les sépare. C'est pourquoi les ondes sonores sont appelées ondes de compression. Elles se déplacent à travers la matière à la façon d’un ressort Slinky.
Bien sûr, lorsque vous tapez sur un tambour, la peau n'est pas la seule chose qui vibre. Le bois et le métal du tambour font de même, à des fréquences légèrement différentes. Les ondes sonores qui en émanent voyagent aussi bien à travers les molécules d'air qu'à travers les molécules solides, liquides ou gazeuses. Le son se propage en fait plus vite dans les solides que dans tout autre matériau (15 fois plus rapidement que dans l'air), du fait de la formation serrée des molécules. Les vibrations du tambour rebondissent aussi sur les murs d’une salle, revenant à l'auditeur des millisecondes plus tard sous forme de réverbérations. Le résultat est une interaction complexe d'ondes sonores primaires et secondaires, ces harmoniques que nous appelons musique (ou bruit, en fonction de l'âge).
Imaginez les ondes sonores comme une série d'ondes sinusoïdales classiques. Sur un graphique, l'axe des X représente le temps et l'axe des Y la pression de l'air. Au-dessus de la ligne centrale nous avons une pression de l'air positive et en dessous une pression négative. Toutes les caractéristiques du son – le volume, la hauteur, la résonance – sont déterminées par la forme de son onde. Plus la crête de l’onde est haute, plus l'amplitude est élevée. Comme l'amplitude est une mesure de la pression de l'air (ou pression acoustique) créée par le son, nous l'entendons sous forme de volume. L'amplitude est exprimée en décibels (dB). Zéro décibel représente le son le plus grave perceptible, à environ 20 micropascals de pression acoustique. Une conversation normale se situe autour de 60 dB, un marteau-piqueur, à 100 dB.
La fréquence est une mesure du nombre d’ondes sonores créées chaque seconde. Chaque cycle de l'onde – de crête à crête – par seconde équivaut à un Hertz (Hz). Nous entendons les différences dans la fréquence sous forme de hauteur. Les baleines bleues produisent des sons à extrêmement basse fréquence – jusqu'à 10Hz – qui voyagent sur des milliers de kilomètres dans l'océan. Les basses fréquences voyagent plus loin que les hautes, ce qui explique pourquoi vous pouvez entendre la basse du voisin trois pâtés de maisons plus loin. Une voix féminine type peut atteindre 1.100 Hz ; tout ce qui dépasse le seuil de l'audition humaine (20.000 Hz) est considéré de l’ultrason. Les chauves-souris et les dauphins utilisent l’écholocation dans la gamme des ultrasons pour se repérer ; les humains se servent des ultrasons pour l'imagerie médicale et industrielle.
Fait intéressant, la fréquence augmente l'amplitude. Disons qu’un diapason en Do vibre à une fréquence naturelle de 261,63 Hz. Au lieu de le frapper pour le faire vibrer, vous pouvez chanter un Do similaire et il vibrera. Tous les matériaux ont une fréquence de résonance qui peut être transformée en vibrations par son ton correspondant. Une tonalité chantée à la hauteur parfaite peut augmenter l'amplitude d'un verre de cristal au point de le briser.
Extrait du magazine Comment ça marche n°12