Une onde mécanique longitudinale
Un son est une succession de compressions et de dilatations qui se propage dans un milieu matériel : les molécules oscillent sur place, dans la direction de propagation, et transmettent la perturbation à leurs voisines. Pas de matière, pas de son. La vitesse dépend du milieu (sa rigidité et sa densité), pas de la fréquence.
| Gamme | Fréquences | Exemples |
|---|---|---|
| Infrasons | < 20 Hz | séismes, éoliennes, ressentis plus qu’entendus |
| Sons audibles | 20 Hz à 20 kHz | voix 100 à 5000 Hz, maximum de sensibilité vers 3 kHz |
| Ultrasons | > 20 kHz | chauve-souris 50 kHz, échographie 2 à 15 MHz, lithotripsie |
Intensité et décibels
L’intensité d’un son est la puissance qui traverse un mètre carré (W/m²). L’oreille couvre douze ordres de grandeur, du seuil d’audition (10⁻¹² W/m²) au seuil de douleur (1 W/m²) : on utilise donc une échelle logarithmique, le décibel. Dix décibels de plus, c’est dix fois plus d’intensité ; trois de plus, deux fois plus.
| Niveau | Situation | Repère |
|---|---|---|
| 0 dB | seuil d’audition à 1 kHz | 10⁻¹² W/m² |
| 30 dB | chuchotement | chambre d’hôpital la nuit : 35 dB recommandés |
| 60 dB | conversation | un million de fois le seuil |
| 85 dB | trafic dense, atelier | limite pour 8 h par jour (SUVA) ; chaque +3 dB divise la durée tolérée par 2 |
| 100 dB | marteau-piqueur, écouteurs à fond | 15 min par jour au maximum |
| 120 dB | concert devant l’enceinte, sirène proche | seuil de douleur, dégâts possibles immédiats |
De l’oreille externe à l’influx nerveux, et retour par la voix
Dans la cochlée, la membrane basilaire est raide et étroite à la base, souple et large à l’apex : chaque fréquence fait vibrer un endroit précis (tonotopie). Les cellules ciliées de cet endroit s’inclinent, ouvrent des canaux ioniques, se dépolarisent et déclenchent des potentiels d’action dans le nerf auditif. Le cerveau lit la hauteur du son à la position des fibres actives et l’intensité à leur fréquence de décharge.
Ondes stationnaires : voix et résonances
Une onde réfléchie qui se superpose à l’onde incidente forme une onde stationnaire : des nœuds fixes et des ventres qui vibrent. Le conduit auditif est un tuyau fermé par le tympan : sa première résonance vaut c/4L = 343 / (4 × 0,025) ≈ 3,4 kHz, exactement là où l’oreille est la plus sensible, et là où le bruit fait le plus de dégâts. Les cordes vocales vibrent à une fréquence fondamentale (120 Hz chez l’homme, 220 Hz chez la femme) réglée par leur tension ; le conduit vocal (pharynx, bouche, lèvres) sélectionne certaines harmoniques, les formants, qui font les voyelles.
L’échographie : envoyer une impulsion, écouter ses échos
Une sonde piézoélectrique transforme une tension en vibration (émission) et une vibration en tension (réception). Elle envoie une impulsion ultrasonore de quelques microsecondes puis écoute. Chaque fois que l’onde rencontre une frontière entre deux milieux d’impédance acoustique différente, une partie revient : c’est l’écho. Le temps de retour donne la profondeur, l’amplitude donne la brillance du pixel.
Le compromis de l’échographiste tient en deux lignes : la résolution est de l’ordre de la longueur d’onde (plus la fréquence est haute, plus l’image est fine), mais l’atténuation vaut environ 0,5 dB par centimètre et par mégahertz (plus la fréquence est haute, moins l’onde pénètre). Abdomen et cœur : 2 à 5 MHz. Thyroïde, vaisseaux du cou, tendons : 7 à 15 MHz.
Effet Doppler et ultrasons thérapeutiques
Une sirène qui approche paraît plus aiguë, qui s’éloigne plus grave : la fréquence perçue dépend du mouvement relatif entre la source et l’observateur. En échographie, les globules rouges renvoient l’onde ; s’ils se rapprochent de la sonde, l’écho revient avec une fréquence plus haute. Le décalage est doublé (l’onde fait l’aller et le retour) et il ne voit que la composante de la vitesse dans l’axe du faisceau, d’où le cos θ.
Quand l’ultrason soigne
- Lithotripsie : des ondes de choc focalisées sur un calcul rénal le fragmentent en sable que le patient élimine.
- HIFU (ultrasons focalisés de haute intensité) : la concentration de l’énergie chauffe un petit volume à plus de 60 °C et détruit une tumeur (prostate, fibrome) sans ouvrir.
- Physiothérapie : à 1 MHz et faible intensité, l’ultrason chauffe les tissus profonds et stimule la cicatrisation.
- Détartrage, nettoyage d’instruments : la cavitation, des microbulles qui implosent, décolle les dépôts.
À toi de calculer
ctissus = 1540 m/s, Ztissus = 1,63 × 10⁶, Zos = 7,8 × 10⁶ kg/(m²·s). Tolérance de quelques pour cent.
Huit questions, une réponse juste par question
La fiche en huit lignes
λ = c / f · tissus 1540 m/s · 5 MHz → 0,3 mmL = 10 log(I/I₀) · I₀ = 10⁻¹² W/m²×2 → +3 dB · ×10 → +10 dB · distance ×2 → −6 dB85 dB pour 8 h · +3 dB = durée / 2f = (2n−1)c/4L · f = nc/2LZ = ρc · R = ((Z₂−Z₁)/(Z₂+Z₁))²d = c · t / 2v = Δf · c / (2 f cos θ)