Ce billet fait partie de la Mini Week, où je poste un nouveau mini billet mais pas vraiment mini comme il se trouve tous les jours de la semaine.
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J’ai toujours été un peu confus au sujet du son. Donc pour le « mini » post du « mardi », j’ai décidé de faire quelque chose à ce sujet.
Nous pensons au son comme quelque chose que nous entendons – quelque chose qui fait du bruit. Mais en termes de physique pure, le son est juste une vibration qui traverse la matière.
La façon dont une vibration « traverse » la matière est sous la forme d’une onde sonore. Quand vous pensez aux ondes sonores, vous pensez probablement à quelque chose comme ceci :1
Mais ce n’est pas comme ça que les ondes sonores fonctionnent. Une onde comme celle-là s’appelle une onde transversale, où chaque particule individuelle se déplace de haut en bas pour créer une situation de serpent.
Une onde sonore ressemble plus à une situation de ver de terre:2
Comme un ver de terre, le son se déplace en se compressant et en se décompressant. C’est ce qu’on appelle une onde longitudinale. Un slinky peut faire les deux types d’ondes:13
Le son commence par une vibration quelconque créant une onde longitudinale à travers la matière. Regardez ça:4
C’est à ça que ressemble le son – sauf qu’il faut imaginer une ondulation en expansion de sphères faisant ça. Dans cette animation, l’onde sonore est générée par cette barre grise vibrante sur la gauche. Cette barre peut être vos cordes vocales, une corde de guitare ou une chute d’eau qui se jette continuellement dans la rivière en contrebas. En regardant les points rouges, vous pouvez voir que même si l’onde se déplace dans une direction, chaque particule individuelle ne fait qu’un mouvement de va-et-vient, imitant la vibration de la barre grise.
Donc, au lieu d’une onde de serpent incurvée, le son est une onde de pression, qui fait que chaque morceau d’air est soit à une pression supérieure à la normale, soit à une pression inférieure à la normale. Ainsi, lorsque vous voyez une illustration en forme de serpent d’une onde sonore, cela fait référence à la mesure de la pression, et non au chemin littéral de déplacement des particules :5
Les ondes sonores peuvent traverser l’air, ce qui est la façon dont nous en faisons normalement l’expérience. Mais elles peuvent aussi traverser de la matière liquide2 ou solide – une grande partie des secousses qui se produisent lors d’un tremblement de terre est le résultat d’une énorme onde sonore fouettant la terre (dans ce cas, le mouvement de la faille sert de barres grises et rouges dans les animations ci-dessus).
Et la vitesse du son ? Eh bien cela dépend de la vitesse à laquelle l’onde de pression peut se déplacer dans un milieu donné. Un milieu plus fluide, comme l’air, est hautement compressible, donc l’onde met plus de temps à se déplacer, tandis que l’eau est beaucoup moins compressible, donc il y a moins de « jeu » pour ralentir l’onde. C’est comme si deux personnes tenaient entre elles un slinky tendu – si l’une d’elles pousse son extrémité vers l’autre, la vague mettra un peu de temps à descendre le long du slinky avant que l’autre personne ne la ressente. Mais si les deux personnes tiennent un manche à balai, quand l’une pousse, l’autre le ressent immédiatement, car le manche à balai est beaucoup moins compressible.6
Il est donc logique que la vitesse du son dans l’air (768 mph / 1 234 kmph dans des conditions normales) soit environ quatre fois plus lente que la vitesse du son dans l’eau, qui est elle-même environ quatre fois plus lente que la vitesse du son à travers un solide comme le fer.
Retour à nous et à l’audition. Les oreilles sont une innovation évolutive qui nous permet d’enregistrer les ondes sonores dans l’air qui nous entoure et de les traiter comme des informations – sans oreilles, la plupart des ondes sonores seraient imperceptibles pour un humain, seuls les sons les plus forts s’enregistrant comme une vibration ressentie sur notre peau. Les oreilles nous confèrent la capacité magique de percevoir les ondes sonores, même légères, d’une manière si nuancée qu’elles peuvent généralement nous dire exactement d’où vient le son et quelle est sa signification. Et cela nous permet de parler. Le type le plus important de communication humaine se produit lorsque nos cerveaux envoient des informations à d’autres cerveaux par le biais de modèles complexes d’ondes de pression atmosphérique. Vous êtes-vous déjà arrêté pour penser à quel point c’est incroyable ?
J’étais sur le point de passer à autre chose, mais désolé, je ne peux pas m’en remettre. La prochaine fois que vous parlez à quelqu’un, je veux que vous vous arrêtiez et que vous pensiez à ce qui se passe. Votre cerveau a une pensée. Il traduit cette pensée en un modèle d’ondes de pression. Ensuite, vos poumons envoient de l’air hors de votre corps, mais pendant ce temps, vous faites vibrer vos cordes vocales de la bonne manière et vous bougez votre bouche et votre langue dans les bonnes formes pour qu’au moment où l’air vous quitte, il soit imprégné d’un modèle de zones de haute et de basse pression. Le code de cet air se propage ensuite à tout l’air environnant, dont une petite partie finit dans l’oreille de votre ami, où elle passe par le tympan. Ce faisant, il fait vibrer son tympan de manière à transmettre non seulement le code, mais aussi l’endroit exact de la pièce d’où il provient et le ton particulier de la voix qui l’accompagne. Les vibrations du tympan sont transmises par trois os minuscules et dans un petit sac de liquide, qui transforme ensuite les informations en impulsions électriques et les envoie dans le nerf auditif jusqu’au cerveau, où les informations sont décodées. Et tout cela se passe en un huitième de seconde, sans aucun effort de la part de l’un ou l’autre. Parler est un miracle.
De toute façon-
L’oreille peut discerner de nombreuses qualités d’un son qu’elle entend, mais deux des plus fondamentales sont la hauteur et l’intensité sonore.
La hauteur du son
La hauteur du son est une question de longueur d’onde, c’est-à-dire de distance entre les ondes de pression :7
Plus la longueur d’onde est courte, plus la hauteur du son est élevée. Les humains peuvent entendre des fréquences aussi basses que 20 Hz (qui correspond à une onde de 56 pieds /17 m de long) et aussi hautes que 20 000 Hz (.7 in / 1,7 cm). En vieillissant, vous perdez votre capacité à entendre les hauteurs les plus élevées, de sorte que la plupart d’entre vous n’entendent probablement rien lorsque vous écoutez les fréquences proches de 20 000 Hz (votre chien ne sera pas d’accord). Mais vous aurez plus de facilité à entendre la partie la plus basse de la gamme.8 La raison pour laquelle vous pouvez ressentir les sons graves, comme les notes basses de la musique, est que la longueur d’onde est si longue qu’il faut en fait 1/20e de seconde pour qu’une onde complète traverse votre corps (d’où 20 Hz).34
L’intensité sonore
L’intensité sonore5 d’un son que nous entendons est déterminée par l’amplitude des ondes de pression. Dans l’animation ci-dessus, les sons aigus et graves représentés ont la même intensité sonore, car les courbes de pression en bas de l’animation ont la même taille verticalement. Les sons plus forts ont une plus grande oscillation entre les sections de basse et de haute pression de l’onde – c’est-à-dire que les sons forts ont des parties de haute pression plus élevées et des parties de basse pression plus basses que les sons calmes.
Pour les sons à travers l’air à la surface de la Terre, la moyenne des parties de haute pression et de basse pression de l’onde est notre pression atmosphérique normale – ce que nous appelons 1 « atmosphère » de pression. Ainsi, une onde sonore peut avoir une composante haute pression de 1,0001 atmosphère et une composante basse pression de 0,9999 atmosphère, et un son plus fort peut être plutôt de 1,01/,99 – mais dans les deux cas, la moyenne des deux est de 1 atmosphère.
Nous mesurons souvent l’intensité sonore à l’aide d’une unité appelée décibel (du nom d’Alexander Graham Bell). Si vous voulez être confus, lisez la page Wikipedia sur les décibels. C’est une unité super dégoûtante. Et plutôt que de nous ennuyer tous les deux en l’expliquant, parlons simplement de la façon dont nous utilisons les décibels pour mesurer le son.
L’échelle de sonie a un minimum très minuscule. Les sons les plus faibles sont bien plus doux que ce qu’un humain pourrait entendre – et même plus doux que ce qu’un de nos meilleurs instruments scientifiques pourrait détecter. Mais selon l’endroit où vous vous trouvez, le son a un maximum très fort. La raison en est que le son n’est pas une chose en soi : c’est une onde de pression qui se déplace dans un milieu. Et comme, comme nous l’avons dit, la moyenne des points de haute et de basse pression d’une onde sonore doit correspondre à la pression normale du milieu, l’intensité sonore est limitée par le fait que le point de basse pression finit par atteindre la pression zéro – le vide. Puisque la basse pression ne peut pas descendre plus bas, ce point détermine l’amplitude maximale d’une onde sonore, et le plus fort qu’un son puisse être, à un endroit donné.
Ce qui est pratique avec les décibels (dB), c’est que le son le plus faible absolu détectable par l’oreille humaine est, par définition, de 0 dB – nous appelons cela « le seuil d’audition ». Les scientifiques font tout leur possible pour étudier les sons jusqu’à l’échelle des décibels négatifs et il existe sur Terre des pièces artificielles où l’on peut enregistrer jusqu’à -9,4 dB – où le silence est tel que l’on peut entendre le sang pomper dans son propre cerveau – mais nous ne pouvons entendre que les sons dans les dB positifs. Le niveau sonore le plus élevé qu’un son soutenu puisse atteindre à la surface de la Terre est de 194 dB, c’est-à-dire lorsque l’amplitude de l’onde sonore est si intense que la partie à basse pression est un vide parfait (l’onde alterne entre le double de la pression atmosphérique normale et l’absence totale d’air, ce qui n’est pas une chose à laquelle il faut assister). Jetons un coup d’œil à l’échelle complète, en commençant par le très silencieux.
Une chose à garder à l’esprit est qu’avec les décibels, chaque augmentation de 10 dB double l’intensité sonore. Ainsi, 20 dB est deux fois plus fort que 10 dB, 30 dB est quatre fois plus fort que 10 dB et 80 dB est 128 fois plus fort que 10 dB.69
L’échelle s’arrête à 194 car il n’existe pas de son plus fort à la surface de la Terre. Mais nous pouvons aller au-delà de cette limite de deux façons :
1) Les ondes de choc
Lorsque suffisamment d’énergie est libérée pour passer la barre des 194 dB, c’est trop pour créer une onde de pression soutenue parce que nous avons touché le fond de la basse pression – mais des choses se produisent quand même. Des choses très, très intenses.
À 194 dB, il y a une onde maximale qui alterne entre le double de la pression normale et un vide total-mais dès qu’on arrive à 195 dB, l’énergie cesse de se déplacer dans l’air et commence à pousser l’air vers l’extérieur avec un vide en expansion. Plus il y a de dB au-dessus de 194, plus la bulle de vide s’étend loin et a un impact élevé. Elle s’étend vers l’extérieur sous la forme d’une demi-sphère à croissance rapide:10
Au bord de la bulle se trouve une barrière de gaz super-comprimé, et lorsque cette barrière balaie la terre, elle aplatit généralement tout ce qui se trouve sur son chemin:11
A mesure que l’hémisphère s’étend, il perd de l’énergie et finit par se dissiper. Mais si vous vous trouviez dans la trajectoire d’une onde de choc avant que cela ne se produise, vous passeriez un mauvais moment. Premièrement, l’impact de la barrière super-compressée serait comme frapper un mur de briques (de la même manière et pour la même raison que tomber sur l’eau depuis un pont est comme tomber sur du béton). Deuxièmement, l’air comprimé est chaud. Troisièmement, il ne se contenterait pas de frapper toutes les parties de votre corps, il le traverserait et, s’il était suffisamment puissant, il pourrait réduire vos os en poudre et vos organes en soupe.
Voici quelques événements célèbres à 194dB+ :
Lancement de Saturn V : La Saturn V était une bête, et les ondes sonores de ses lancements étaient si intenses qu’elles pouvaient enflammer l’herbe à un kilomètre de distance. Même à trois milles de distance, un observateur ressentait un son de 135 dB qui lui fendait l’oreille.12 Les lancements de fusées créent un son si puissant que les agences spatiales inondent la rampe de lancement d’eau au moment du lancement de la fusée pour absorber le son afin que la force de l’onde de pression n’endommage pas la fusée.
Les bombes d’Hiroshima et de Nagasaki : Selon les sources que j’ai lues, elles dépassaient largement les 200 dB. L’onde de choc était si chargée qu’elle a parcouru 7 mi / 11 km en 30 secondes.
L’éruption du volcan Krakatoa en 1883:13 Je suis dépassé par la quantité de choses que je dois vous dire sur le Krakatoa. Faisons des balles.
- Le Krakatoa est une île en Indonésie, et l’éruption s’est produite le 27 août 1883.
- L’éruption a complètement anéanti l’île, envoyant une énorme quantité de débris de 17 miles (27 km) de haut dans le ciel à un demi-mile par seconde. Elle a également provoqué l’un des tsunamis les plus meurtriers et les plus étendus de l’histoire. Au total, l’éruption a tué 36 000 personnes.
- Mais la chose la plus étonnante de l’éruption était son son. Elle a produit sans doute le son le plus fort sur Terre dans l’histoire moderne.
- Il était si fort que l’onde de choc s’étendait assez loin pour rompre les tympans des marins à 40 miles de distance.
- À 100 miles de distance, le son était encore de 172 dB, assez pour détruire définitivement les oreilles de quelqu’un ou même le tuer. Où que vous soyez, pensez à un endroit qui se trouve à environ 161 km (100 miles). Imaginez maintenant qu’il se passe quelque chose là-bas qui provoque un son si fort que si vous hurlez à pleins poumons directement dans l’oreille de quelqu’un au moment où le son frappe, il ne pourra pas entendre que vous le faites. À titre de comparaison, le son du lancement de Saturn V était de 170 dB à 100 mètres de distance. Le Krakatoa était plus haut que ça à 100 miles de distance.
- Le son a fissuré un mur de béton de 30 cm d’épaisseur à 300 miles (483 km) de distance.
- Le son a été entendu jusqu’en Australie (où il ressemblait à un boulet de canon tiré au loin) et même jusqu’à l’île Rodrigues, à 3 000 miles de distance. 3,000 miles de distance. Je suis actuellement à New York. Imaginez que quelque chose se passe en Californie ou en Europe que je puisse entendre à New York. Je ne peux même pas.
- Après que le son ait fini par s’éloigner suffisamment pour que les humains ne puissent plus l’entendre, les baromètres du monde entier se sont affolés pendant les jours suivants, car les ondes sonores ont fait 3,5 fois le tour de la Terre.
- Enfin, vous connaissez la célèbre peinture Le Cri ? Eh bien vous savez comment le ciel est tout rouge pour une raison quelconque ? Le ciel est rouge parce que le peintre, Edvard Munch, a été inspiré de le peindre après avoir vu les ciels rouges causés par le Krakatoa dans tout l’hémisphère occidental dans l’année qui a suivi l’éruption.
C’était une grosse éruption.
2) Autres médias
Il peut y avoir des sons plus forts que 194 dB – mais pas à la surface de la Terre. Il peut y avoir des sons plus forts dans l’océan, dans la terre, ou sur d’autres planètes. Les géantes gazeuses de notre système solaire, par exemple, ont des atmosphères plus denses que celles de la Terre, ce qui permet des amplitudes d’ondes de pression plus élevées, et avec des vents incroyablement rapides et des tempêtes puissantes, il y a beaucoup d’opportunités là-bas pour faire des choses bruyantes.
Ce qui n’est pas bruyant, c’est presque tout le reste de l’espace. Vous avez probablement entendu l’expression « Le son ne se propage pas dans le vide », mais ça a du sens maintenant, non ? Le son est une onde de pression à travers la matière. S’il n’y a pas de matière, il n’y a pas de son. Il peut y avoir une immense chaleur, et des radiations, et une force, mais pour un humain observateur proche, tout est mort et silencieux.
Si, hypothétiquement, il y avait de l’air remplissant l’univers, alors soudainement les choses deviendraient très bruyantes. Oubliez le concept terrifiant du son d’une supernova – juste le soleil stupide assis là à traîner sonnerait à une stupéfiante 290 dB. Selon un physicien solaire, nous entendrions cela sur Terre comme un son de 100 dB – le volume d’une moto – tout le temps, tous les jours, partout. Soyez heureux que le son ne voyage pas dans le vide.
Une dernière pensée-
Les recherches pour ce billet et l’apprentissage de ce qu’est le son m’ont donné une nouvelle perspective sur l’arbre qui tombe dans la forêt sans personne pour l’entendre question. Je pense maintenant que non, il ne fait pas de bruit. Il produit une onde de pression d’air et c’est tout. Le concept de son est par définition la perception de l’onde de pression par un être biologique – et s’il n’y a pas d’oreilles pour percevoir l’onde de pression, il n’y a pas de son. C’est un peu comme si on demandait : « Si les humains disparaissent, et que quelque part dans les décombres post-apocalyptiques, il y a la photo d’une belle femme étendue là, est-elle toujours belle ? ». Je ne pense pas qu’elle le soit. Parce que la seule chose qui est belle chez elle, c’est que les humains l’ont trouvée belle, et sans les humains, elle n’est pas plus belle que la femelle scarabée à quelques mètres de là, fouillant dans les décombres. N’est-ce pas ?
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Trois choses que je veux que vous lisiez :
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Si vous avez aimé cela, voici quelques autres explications de Wait But Why :
How Tesla Will Change the World
The AI Revolution : The Road to Superintelligence
Putting Time in Perspective
Sources
The awesome GIFS : Dan Russell and ISVR
CDC : Bruit et prévention des pertes auditives
Département américain du travail : Exposition au bruit en milieu professionnel
Nautil.us : Le son si fort qu’il a fait quatre fois le tour de la Terre
UNSW : Qu’est-ce qu’un décibel ?
Decibelcar.com : Tableau d’équivalence des décibels
Make it Louder : Tableau ultime des décibels de pression acoustique
NASA : Un essai de suppression du son provoque un déluge
Idiome zéro : le soleil est-il bruyant ?
Gibson.com : It Might Get Loud : Les 10 groupes de rock les plus bruyants de tous les temps
GC Audio : Tableau de comparaison des décibels (intensité sonore)
Mathpages.com : La vitesse du son
Tournez-le vers la gauche : niveaux de bruit
Extrême Tech : Un son assez fort peut-il vous tuer ?
Abelard.com : Musique forte et dommages auditifs
Vache insonorisée : Le son le plus fort jamais entendu
Chalmers : Un microphone quantique capte un son extrêmement faible
born.gov.au : L’éruption du Krakatoa, 27 août 1883
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