Peut-on voir un son ?

On peut voir la houle, onde mécanique qui se propage à la surface de l'eau; on peut également voir un tremblement de terre; mais peut-on voir une onde sonore ? Et que se passerait-il si cela était possible ? Nous verrons que cette question, simple en apparence, ouvre des scénarii pédagogiques passionnants pour utiliser la méthode d'investigation avec les élèves.

1. Qu'est-ce qu'un son ?

Un son est une onde créée par un objet qui vibre dans un milieu comme l'air ou l'eau. Les mouvements de l'objet compriment puis détendent le milieu immédiat autour de l'objet, par exemple l'air, et ces variations de pression se propagent progressivement dans le reste du milieu sous la forme d'une onde sonore.

Les ondes sonores sont caractérisées par leur fréquence, leur amplitude et leur timbre, qui déterminent les caractéristiques du son produit :

1. La fréquence d'une onde sonore dépend de la vitesse à laquelle elle se propage dans le milieu matériel et de la distance parcourue entre deux pics consécutifs de l'onde. La fréquence détermine la hauteur perçue du son et peut être mesurée en Hertz (Hz).

2. L'amplitude d'une onde sonore dépend de l'énergie qui a été transmise à la source du son. Plus l'énergie est grande, plus l'amplitude de l'onde sera importante. L'amplitude détermine la puissance perçue du son et peut être mesurée en décibels (dB).

3. Le timbre décrit la complexité du son et sa périodicité. Un son pur contient une seule fréquence, un sons complexes plusieurs fréquences, un bruit est composé d'ondes des fréquences et d'amplitude aléatoires.

Comme les autres ondes mécaniques, l'onde sonore n'engendre pas un déplacement de matière, mais une perturbation de celle-ci. Léonard de Vinci, le premier à avoir entrevu les mécanisme de la houle, fait cette analogie : "Ne voit-on pas au mois de mai courir par les campagnes les ondulations que fait le vent dans les blés, et pourtant les blés n'ont pas changé de place".

2. Peut-on voir un son ?

L'expérience nous montre qu'on ne peut pas voir un son : que la musique soit forte ou pas, qu'une note soit aigüe ou grave, l'apparence visuelle du monde qui nous entoure ne change pas en fonction des sons qui sont émis autour de nous. Pour détecter un son il semble que nous ne puissions faire appel qu'à deux sens, celui de l'ouïe, et, pour les sons très graves ou très forts, et celui du toucher.

Pourquoi ne peut-on pas voir un son ? On dit parfois que l'on ne peut voir un son car l'air est transparent. Cette explication est inadéquate. Ce n'est pas parce que l'air est transparent qu'on ne peut voir le son, mais parce que les caractéristiques de transmission de la lumière dans l'air varient très peu avec la pression (environ 0.025% pour un doublement de la pression atmosphérique).

Comme l'onde sonore est une variation de la pression, on ne peut pas voir les effet du son sur le milieu quand elle le traverse puisque les caractéristiques optiques du milieu ne sont pas sensiblement affectées par son passage.

Cela serait différent si, par exemple, l'indice de réfraction de l'air variait largement avec la pression, nous pourrions alors voir des déformations des rayons lumineux comme nous voyons la rupture d'un couteau dans un verre d'eau due à la différence d'indice de réfraction entre l'air et l'eau. Dans ce monde, chaque nouveau bruit entrainerait des déformations visuelles sous forme de vagues circulaires dont la source, la fréquence et l'intensité dépendrait des objets émetteurs, et qui interfèreraient les unes avec les autres ...

Outre l'indice de réfraction, on peut imaginer que d'autres caractéristiques optiques pourraient être être également modifiées par les variations de pression du milieu, entrainant par exemple des variations de couleurs ou de luminosité. Traverser une rue passante deviendrait alors une vraie expérience psychédélique !

Admettons que les caractéristiques de transmission de la lumière dans l'air soient suffisamment sensibles à la pression, pourrions-nous quand même voir une onde sonore ? Pour qu'une onde sonore puisse qualifier au titre d'onde sonore, il faut qu'elle ait une fréquence suffisamment élevée pour que notre sens de l'ouïe soit capable de la percevoir. Or, pour être perçue par ce sens, l'onde sonore doit vibrer à au moins 20 oscillations par secondes, soit 20 hertz, ce qui est beaucoup plus rapide que la fréquence d'une vague (environ une oscillation toutes les 10 secondes) ou d'un tremblement de terre (plusieurs oscillations par secondes). La voix humaine "vibre" plutôt à 250-500 oscillations par secondes.

Pourrait-on voir des variations du milieu à cette vitesse ? On mentionne souvent que la cadence d'acquisition des images de l'oeil est d'environ 20 images par secondes. En fait des chercheurs du MIT ont montré que quand un sujet pouvait anticiper un évènement, il était capable de reconnaître une image en seulement 13 millisecondes, ce qui correspond à une fréquence d'acquisition de 76 images par secondes. Cette cadence est largement inférieur à la fréquence habituelle d'un son et ce que nous pourrions au mieux détecter par la vision est un mouvement flou, un peu comme quand on regarde les vibrer cordes d'une guitare. On doit donc conclure que même si les caractéristiques du milieu dans laquelle évolue l'onde sonore pouvait en théorie la rendre visible, il ne serait néanmoins pas possible de la "voir" du fait de la rapidité du phénomène. On ne verrait probablement qu'un flou plus ou moins marqué autour des sources.

3. Comment voir un son

Face à ces difficultés, les scientifiques ont développé plusieurs types d'approches pour voir un son et ainsi pouvoir mener leurs recherches sur les phénomènes acoustiques.

Une première tentative nous vient de Galilée qui détecte l'apparition de motifs sur une plaque en vibration. C'est le physicien Ernst Chladni qui formalise à la fin du XVIII ème siècle le phénomène en utilisant des plaques de métal, sur lesquelles il faisait vibrer du sable avec un archet. La mathématicienne Sophie Germain quelques années plus tard donnera la première modélisation mathématique des figures de Chladni, travail pour lequel elle obtient le grand prix des sciences mathématiques en 1815. Les figures de Chladni permettent de visualiser l'emplacement des nœuds de vibration de la plaque excitée par une onde sonore et qui dépendent de la plaque et des fréquences utilisées.

On peut étendre le concept de Galilée et Chladni en étudiant de nombreux effets du son, par exemple sur l'eau ou sur la peinture, un domaine de recherche que l'on appelle la "cymatique". Bien que l'effet soit visuellement très impressionnant, ces expériences ne permettent cependant pas à proprement parler de visualiser les ondes sonores.

Pour visualiser effectivement les ondes sonores, il faut pouvoir mettre en évidence les variations des caractéristiques optiques du milieu quand il traversé par l'onde sonore. Nous avons vu que l'indice de réfraction de l'air présentait de très faibles variations quand la pression était modifiée. Comment amplifier ces variations pour les visualiser ? Une solution consiste à utiliser l'effet Schlieren qui permet d'isoler optiquement les déviations infimes des rayons lumineux qui traversent un milieu dues aux changement de son indice de réfraction. Cette méthode a été inventée par Léon Foucault au XIXème siècle (connu pour la démonstration du pendule au Panthéon) et perfectionnée par Auguste Toepler. En couplant un dispositif optique utilisant l'effet Schlieren à une caméra haute fréquence, et en émettant des sons de haute fréquence et de forte intensité, on arrive à visualiser les variations de pression de l'air et donc voir le son.

Cette solution permet d'avoir une vision d'ensemble des perturbation créées par l'onde sonore. Une autre approche consiste à mesurer les variations de pression de l'air à un endroit donné avec un capteur spécifique : le microphone. Sous l'effet de la pression, la membrane du microphone bouge et génère des variations de tension dans un circuit électrique. En analysant ces variations avec un oscilloscope, on peut alors voir l'évolution dans le temps des variations de pression créées par l'onde sonore, à l'endroit du microphone. Contrairement à la méthode précédente on a pas une vision globale de l'onde à un instant t, mais son évolution dans le temps en un point précis. Jusqu'à récemment il était nécessaire d'aller dans un laboratoire pour faire ces mesures avec un oscilloscope mais avec les progrès de la technologie, un téléphone portable ou une tablette, suffisent pour voir le son.

4. Voir un son avec FizziQ

Générons d'abord une onde sonore régulière avec un générateur de fréquence ou plus simplement avec le synthétiseur de son de l'application FizziQ. Appuyer sur l'onglet Outils, dans le bandeau du bas, puis Synthétiseur, et sélectionnez une fréquence, par exemple 600 Hz. La touche Play permet de jouer le son. Régler le volume pour qu'il soit suffisamment fort, mais pas trop fort pour ne pas vous gêner.

Si vous avez un appareil Android, vous allez pouvoir analyser ce son directement avec le même smartphone dans l'application FizziQ. Si vous avez un appareil iOS il vous faudra un deuxième smartphone sur lequel sera installé FizziQ car les appareils Apple ne peuvent à la fois émettre un son et l'analyser.

Sur l'appareil qui va analyser le son, vous appuyer sur l'onglet Mesures, puis dans le rond central pour sélectionner l'instrument Microphone, puis Amplitude. Cette mesure affiche un oscillogramme du son capturée à la fréquence de 44 000 Hertz, autrement dite elle capture les mouvements de la membrane du microphone toutes les 22 microsecondes ! Avec l'oscillogramme on va donc avoir une image très précise de la pression de l'air dans le temps à l'endroit du microphone.

Visualisons cette onde sonore et étudions-la en appuyant sur le bouton rouge de capture de la mesure, puis dans le cahier nous pouvons étudier la courbe. On voit que l'on obtient une belle coupe sinusoïdale, typique d'un son pur qui fait résonner harmonieusement notre tympan.

Pour en savoir plus, on pourra également consulter cette vidéo sur le son et ses caractéristiques :

5. Les formes d'une onde sonore

On parle souvent de la forme d'une onde sonore mais ce que l'on mesure réellement est la courbe décrivant la pression en fonction du temps, comme on verrait la houle en coupe verticale. Chaque onde sonore présente différentes formes et caractéristiques que l'on peut étudier grâce à l'oscilloscope de FizziQ. Certains sons présentent de belles courbes sinusoïdales, et d’autres des courbes non sinusoïdales, mais périodiques, d’autres courbes enfin sont totalement irrégulières.

Grâce aux sons de la bibliothèque de sons, il est facile de visualiser toute sorte de sons différents. Par exemple, comparons les courbes produites par trois sons :

• Le son d’un diapason

• La note la d’une flûte

• Le bruit d’une rue passante

Comme le son du synthétiseur, le son du diapason lui aussi produit une courbe sinusoïdale. C'est un son pur, c'est-à-dire composé d'une seule fréquence.

Ee son de la flûte est également périodique, c'est-à-dire que le motif se répète, mais ce n'est plus une sinusoïde. En fait ce son est composé de plusieurs fréquences qui s'additionne et créée une courbe plus complexe. On appelle ce son un son complexe harmonique. Harmonique car son motif se répète. On pourra étudier en détail les harmoniques avec l'analyse du spectre, un autre outil de FizziQ.

Enfin étudions le bruit de la rue passante. Ce son lui n'est pas périodique, la courbe ne se répète pas et les pics semblent arriver de manière aléatoire. On appelle ce son un bruit pour indiquer qu'il n'est pas périodique et que les fréquences qui le compose sont aléatoire.

6. Conclusion

Il n'est pas possible de voir le son, mais c'est justement ce qui en fait un terrain d'étude passionnant pour les élèves. Invisible, très rapide, le phénomène ne peut être étudié qu'avec le sens de l'ouïe, un instrument naturel très sophistiqué, ou un instrument scientifique. C'est donc une étude toujours particulière pour les élèves qui a une grande valeurs pédagogique pour l'apprentissage de la méthode scientifique. Jusqu'à présent ces phénomènes ne pouvaient être étudiés qu'en labo, mais grâce à des applications comme FizziQ, on peut conduire des démarches d'investigation très simplement et rapidement sur tout smartphone ou tablette, en classe ou en dehors de la classe. Une raison supplémentaire de réaliser des activités sur le son !

Pour des séances d'expérimentation en classe sur le son, nous avons rassemblé un grand nombre d'activités pour les classes et de collège et lycée.