Ondes sonores, décibels et le son le plus fort jamais enregistré
La relation entre vitesse, fréquence et longueur d'onde, l'effet de la température sur la vitesse du son, l'échelle logarithmique des décibels, et ce que nous apprennent les relevés du Krakatoa en 1883. Avec une expérience d'écho pour mesurer la vitesse du son.
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Le son est une onde de pression longitudinale : une perturbation de la matière transmise à partir de sa source, faite de compressions et de raréfactions. Comme toutes les ondes, il obéit à v = f·λ, où v est la vitesse de l'onde, f la fréquence et λ la longueur d'onde. Le domaine audible humain va à peu près de 20 Hz à 20 000 Hz.[1][2]
Dans l'air, la vitesse du son dépend de la température : v = 331 m/s × √(T / 273 K), avec T en kelvins. À 20 °C (293 K), on obtient environ 343 m/s. Dans l'eau douce, le son va à environ 1 480 m/s et dans l'acier à environ 5 960 m/s.[2]
Le son a besoin d'un milieu. L'espace est en grande partie un vide, donc les ondes sonores ne peuvent pas s'y propager, même si le gaz chaud des amas de galaxies est assez dense pour transporter des ondes de pression de très basse fréquence.[5]
L'intensité sonore se mesure sur l'échelle logarithmique des décibels : β = 10·log₁₀(I / I₀), avec I₀ = 10⁻¹² W/m² (le seuil d'audition). Chaque +10 dB correspond à une intensité 10 fois plus grande : un son de 90 dB est 1 000 fois plus intense qu'un son de 60 dB. Valeurs typiques : chuchotement 20 dB, conversation 60 dB, seuil de la douleur 120 dB, avion à réaction à 30 m 140 dB, rupture des tympans vers 160 dB.[3]
En août 1883, le volcan Krakatoa a explosé. Un baromètre de l'usine à gaz de Batavia, à environ 160 km, a fait un bond de plus de 2,5 pouces de mercure, un pic de pression équivalent à plus de 172 dB. À bord du navire Norham Castle, à environ 64 km, le capitaine a écrit que les tympans de plus de la moitié de son équipage avaient éclaté.[4]
L'explosion a été entendue sur l'île Rodrigues, à environ 4 800 km. Bien après qu'elle soit devenue trop faible pour être entendue, les baromètres du monde entier ont continué à enregistrer l'onde de pression, qui a fait trois à quatre fois le tour du globe dans chaque sens.[4]
Essaie: Mesurer la vitesse du son avec un écho
Il te faut
- Un grand mur plat (un bâtiment de l'école) avec un terrain dégagé devant
- Un mètre ruban ou un odomètre à roue
- Deux blocs de bois à frapper l'un contre l'autre
- Un chronomètre (ou un téléphone)
Sécurité
Choisis un endroit loin de la circulation. Garde les doigts à l'écart des blocs. N'utilise ni pistolet de départ ni rien d'explosif.
Ce qu'il faut faire
- Place-toi à au moins 50 m du mur. Mesure la distance d jusqu'au mur.
- Frappe les blocs une fois et écoute l'écho.
- Frappe maintenant régulièrement, de sorte que chaque coup soit donné exactement quand tu entends l'écho du précédent. Entraîne-toi à ce rythme.
- Un camarade chronomètre 20 coups (en commençant à compter à zéro). Recommence trois fois.
- Entre deux coups, le son va jusqu'au mur et revient, soit une distance de 2d. Durée par coup t = (temps total) ÷ 20.
- Calcule v = 2d / t. Compare avec 331 × √(T/273) pour la température de l'air du jour.
Que se passe-t-il, et pourquoi ?
La méthode de l'écho utilise un long trajet et de nombreuses répétitions pour réduire les erreurs dues au temps de réaction. Ton résultat devrait être à environ 10 % près de 340 m/s. Un air plus chaud donne une vitesse un peu plus grande, comme le prévoit v = 331·√(T/273 K).[2]
Joue: L'échelle des décibels
Place chaque son, ou chaque calcul, sur le bon barreau de l'échelle des décibels. Rappel : +10 dB, c'est une intensité 10 fois plus grande.
Ton meilleur score est gardé seulement sur cet appareil. Rien n'est envoyé.