PROPAGATION DU SON

209. Un corps sonore étant entré en vibration , communique ce mouvement à un corps pondérable quelconque qui se trouve en contact avec lui; c'est ainsi que le son se propage et arrive jusqu'à l'organe de l'ouïe. Ce qui prouve que ce n'est que par le contact d'un corps pondérable que la propagation du son peut se faire, c'est qu'elle n'a point lieu dans le vide: c'est ce dont il est facile de s'assurer par l'expérience suivante. On place sur le plateau de la machine pneumatique un mouvement d'horlogerie à timbre , reposant sur un coussinet de laine ou de coton, et on le couvre avec le récipient à boîte à cuir, c'est-à-dire, avec une cloche en verre (f. 210) portant une tige que l'on puisse enfoncer et retirer à son gré. Ayant fait le vide, on enfonce la tige et on la tourne de manière à détacher la détente de l'horloge et à mettre celle-ci en mouvement. Quoique l'on voie le timbre frapper continuellement, aucun son ne parvierit à l'oreille. Donc il est évident que le son ne se propage pas à travers le vide. En rend.int un peu d'air au récipient , le son devient perceptible , et il augmente de plus en plus d'intensité à mesure qu'on laisse pénétrer plus d'air; c'est par suite de cet affaiblissement du son dans l'air raréfié que les sons sont d'autant plus faibles que l'on se trouve dans des lieux plus élevés , où l'air est moins dense.

210. Lorsque le corps sonore se trouve en contact d'un corps pondérable, il lui communique son mouvement vibratoire, et le son se propage.

Etudions la manière dont se fait celte propagation , en prenant l'air pour exemple. Imaginons (f. 211) un tuyau horizontal, cylindrique et plein d'air, et dans son milieu un diaphragme métallique 0. Ce diaphragme venant à reculer de a jusqu'en a', si nous supposons que l'air ne soit nullement compressible, il est évident que la petite colonne d'air am sera repoussée tout d'une pièce, et qu'il sortira par l'ouverture m un volume d'air égal à celui compris entre a et a' , sans que les différentes sections de la colonne subissent aucune contraction.

Mais l'air étant éminemment compressible, ce que nous venons de supposer ne peut avoir lieu, et il se passe dans la colonne d'air des effets bien différents. Que le diaphragme vienne à marcher en 1" de a en a' ; cette marche ne sera pas de suite sen-

sible à rexirémilé m du cylindre , et son action ne s'étendra qu'à 10 centimètres, par exemple, jusqu'en b. En ce moment l'air compris entre a' et è est condensé , puisque le volume compris précédemment entre a et a' s'y est ajouté. Celte condensation n'est d'ailleurs pas égale dans toutes les couches de la colonne ; en effet , le mouvement impulsif quitte déjà la couche la plus voisine de a' , quand il arrive seulement à la couche extrême ; c'est donc dans les couches moyennes que la condensation est la plus grande : en effet , c'est au milieu de l'intervalle a'b que correspondra le milieu de l'amplitude des parties vibrantes, et par conséquent le maximum de vitesse et le maximum d'impulsion. En représentant la condensation des différentes couches par des perpendiculaires , la courbe passant par les extrémités de celles-ci représentera parfaitement l'état de condensation dans lequel se trouve la colonne a'b. Connaissant ainsi l'état de l'air contenu dans le tube pendant la première seconde , voyons ce qui se passera ensuite : au bout de cette seconde , si nous concevons l'air du tuyau partagé en couches , nous voyons que la couche la plus voisine de a' repassera à l'état de repos, et que la première de b se mettra en mouvement. Puis la seconde couche de a' repassera en repos, et la seconde de b se mettra en mouvement , etc. , de sorte qu'au bout de la deuxième seconde la colonne a'ù sera rentrée en repos , et la colonne bc sera condensée. Puis cette colonne bc rentrera en repos aux dépens de celui de la colonne cd qui se déchargera à son tour sur la colonne suivante, et ainsi de suite.

211. Ce sont ces modifications de l'état de l'air que l'on appelle ondulations ; la colonne a'b s'appelle une onde ou une ondulation. Dans le cas que nous venons de citer c'est une onde contractée ou condensée. On appelle onde raréfiée ou dilatée celle qui nécessairement s'est faite à droite du diaphragme , lorsque celui-ci a marché de a en a' : cette onde dilatée a eu le même mouvement et la même longueur que l'onde contractée qui a eu lieu à gauche du diaphragme , et que nous venons d'étudier. Si maintenant nous concevons que le diaphragme vienne à vibrer , c'est-à-dire, à passer sans cesse de a en a' et de a' eu a, il est évident qu'il y aura successivement de chaque côté une onde contractée et une onde dilatée.

212. Si au Heu du diaphragme dont nous venons de parler, nous considérons un seul point matériel exerçant des vibrations semblables , il en résultera évidemment dans les molécules d'air voisines , des ondulations telles que celles que nous venons d'indiquer. Et si , au lieu de ne considérer qu'un seul point matériel, nous nous représentons , ce qui est en réalité , un assemblage plus ou moins considérable de ces points , il faudra concevoir chacun de ces points comme le centre d'une ondulation. Ces ondulations se répandront sphériquement dans l'espace , tout autour du corps vibrant , de la même manière qu'il se fait des mouvements ondulatoires circulaires autour d'un point d'une surface liquide où l'on a imprimé le choc d'un corps pesant. De même aussi que ces ondulations annulaires peuvent se croiser à la surface de l'eau, les ondes sonores peuvent se croiser dans l'air, sans se gêner; car des mouvements vibratoires extrêmement petits ne se contrarient point. Cette co-existence des ondes sonores autour de leurs centres respectifs est confirmée par l'expérience : en effet , les sons produits en même temps par plusieurs instruments se propagent avec netteté à toutes les dislances et chacun fait naître la même sensation que s'il existait seul. Lorsque les mouvements sont trop violents , les ondes sonores se troublent et ne donnent plus que des sons vagues et confus.

213. Le son se répandant sphériquement tout autour du corps sonore, il en résulte que, à mesure qu'il s'éloigne plus de celui-ci, il s'affaiblit davantage. En effet, l'intensité du son est en raison inverse du carré des dislances qui le séparent de sa source. Pour nous rendre compte de la vérité de ce principe , représentonsnous tous les rayons sonores qui partent du corps vibrant , comme coupés à une certaine distance de celui-ci (f. 212), et nous concevrons que tous ces rayons tronqués conslilueront une surface sphérique ; supposons maintenant que l'on ne coupe tous ces rayons qu'à une dislance double de celle qui les séparait tout à l'heure du corps sonore , el il sera évident que la sphère nouvelle que formeront leurs troncatures , ayant un rayon double de la première, sera quatre fois plus grande que celle-ci. Le son est donc 4 fois plus dispersé sur celte dernière surface qu'il ne l'était sur la première. Ainsi , pour une distance de 2 , le son n'est plus représenté que par */*> pour une distance de 3, par '/g j ^'c.

214. Nous venons de voir qu'à mesure que les ondes s'éloignent du corps sonore, elles vont en s'élargissant et en perdant de plus en plus de leur intensité. Ce mouvement est donc entièrement dispersé au bout d'un certain espace, d'autant plus grand que l'impulsion était plus vigoureuse, c'est-à-dire, que le son était plus intense. Lorsque les ondes sonores ne peuvent pas s'étendre et se disperser comme dans l'air libre, et qu'elles sont forcées de se propager cylindriquement , comme dans des tuyaux, le son se porte à des distances considérables. En effet, lU. Biot a reconnu , dans les aqueducs de Paris , que la voix la plus basse possible se distingue d'une manière parfaitement nette à une distance de 931 mètres. Ces distances devraient même être illimitées, sans la perte de mouvement qu'occasionne à l'air son frottement contre les parois des tuyaux. Ou sait qu'en parlant à l'ouverture d'un puits on a ordinairement un écho assez fort; cela vient évidemment de ce que le son se réfléchit sur l'eau ; mais s'il revient avec une si grande intensité , c'est parce quun puits est un véritable tuyau où le son se propage presque sans s'affaiblir. Les angles, les encoignures, les voûtes produisent des résultats analogues à ceux donnés par les tuyaux.

213. C'est encore un phénomène analogue qui se présente dans le porte-voix ^ instrument qui consiste en un tuyau de fcr-blanc ou de cuivre, qui s'applique sur la bouche par une de ses extrémités, et qui va en s'élargissant par l'autre, sur une longueur d'environ 1 mètre. Cet instrument a pour but d'empêcher le mouvement ondulatoire de se disperser à la sortie même de l'organe vocal , et de le concentrer sur toute la masse d'air comprise dans sa capacité. Son effet dépend de la longueur du tuyau et de l'étendue du pavillon.

C'est aussi afin de réunir un plus grand nombre d'ondes sonores que les personnes qui ont l'ouïe dure se servent du cornet acoustique, petit tuyau conique dont le sommet s'introduit dans le pavillon de l'oreille dont il doit aider la faiblesse.

216. De même que le son se propage à travers l'air, il se propage à travers les autres corps pondérables qui se trouvent en contact avec le corps sonore. Les corps gazeux propagent d'autant mieux le son qu'ils sont plus denses, étant à la même température; aiusi il est plus faible dans l'hydrogène que dans l'air,

el plus faible dans celui-ci que dans l'acide carbonique. Les vapeurs Iransmellent aussi le son, pour le prouver; on faille vide dans un ballon au milieu duquel est suspendue une clochelte : le son n'est pas entendu, mais si on y fait passer quelques gouttes d'élher, la vapeur qui se forme à l'instant propage le son qui devient alors Irès-seusible.

Le son se propage fort bien à travers les liquides; un homme plongé sous Peau entend à une grande dislance le choc de deux pierres également placées dans l'eau. Il entend aussi le bruil qui se fait hors de l'eau, mais moins bien.

Les corps solides propagent aussi fort bien le son : tout le monde sait qu'en appliquant l'oreille contre terre , on entend des sons produits sur celle-ci à de très grandes distances. En frappant avec la tête d'une épingle à l'extrémité d'une longue poutre, une personne placée à l'aulre extrémité enlend distinctement le son. 217. VITESSE. Les observations les plus précises faites sur la vitesse du son sont celles que les membres de l'Académie de Paris firent sur une longueur de 18612™, 5, comprise entre Villejuif elMontlhéry, au moyen de canons placés en ces deux points et que Ton lirait allernativement et à intervalles égaux. En comparant les résultats des observations faites aux deux slations, l'on trouve que l'espace parcouru par le son en une seconde, à une température de 16° c, est de 540"", 88. L'air ayant moins d'élasticité à une température plus basse, le son doil avoir alors une vitesse moindre: en effet le calcul prouve qu'à 10° c. il ne parcourt plus que 537", 28 , et seulement 55l™,12 à 0° c. (a). La température de l'air allant en diminuant à mesure qu'il est plus élevé, la vitesse du son devra diminuer de bas en haut et s'accélérer de haut en bas. Des observateurs placés entre les slations à des distances connues mesuraient à chaque coup de canon, le temps employé par le son pour arriver jusqu'à eux ; on a reconnu ainsi que le son met un temps double, triple , quadruple à parcourir un espace double , triple, etc. et par suite que son mouvement est uniforme.

(a) La mécanique démontre, d'après les lois du mouvement, que la vitesse du son est égaie à la racine carrée du rapport de l'élasticité de l'air à sa densité. Ce calcul donne 282™ à 6° seulement. La faiblesse de ce nombre est due à ce que, dans la réalité, l'élasticité de l'air est augmentée par la chaleur que lui font développer les compressions qu'il subit.

Les sons forts ou faibles, graves ou aigus ont absolument la même vitesse. Il en est de même des sons rendus par différents instruments. C'est pour cela que Ton juge aussi bien d'un concert un peu loin que très-près, tous les sons arrivant dans le même ordre quilssont produits. Un temps pluvieux, nuageux ou serein n'influe nullement sur la vitesse du son.

Le vent augmente ou diminue la vitesse du son , selon qu'il se porte dans la direction même du son ou dans la direction contraire. C'est surtout sur l'intensité du son que le vent exerce ainsi son influence. Lorsque la direction du vent est perpendiculaire à celle du son , la vitesse de celui-ci n'en est nullement altérée. 218. Le son employant 1" à parcourir 340°, 9 , tandis que la lumière a une vitesse incomparablement plus grande , on voit la lumière d'un canon placé à quelque distance avant d'en percevoir le bruit. L'intervalle entre la lumière et le son est d'autant plus grand que la distance du point d'observation est plus considérable, et c'est par sa durée que l'on a déterminé la vitesse du son.

La vitesse du son dans les autres gaz est en général d'autant plus grande que ces gaz ont moins de densité. Ainsi, dans l'hydrogène, la vitesse du son est environ 4 fois plus grande que dans Tair.

La vitesse du son dans l'eau fut mesurée sur le lac de Genève par MM. Colladon et Sturm , au moyen d'une cloche placée sous l'eau et que frappait un fort marteau. Celui-ci portait un manche qui sortait de l'eau et qui, au moment du choc, enflammait une masse de poudre. Les observateurs placés à une grande distance étaient ainsi prévenus par la lumière du moment où le son se produisait; bientôt ils l'entendaient sous l'eau, au moyen d'une sorte de cornet acoustique dont le pavillon fermé par une feuille de métal, était plongé dans l'eau.

Un assemblage de tuyaux de fonte , long de 931 mètres , servit à M. Biot pour démontrer que le son se propage beaucoup plus vite dans les solides que dans Tair : un coup de pistolet tiré au bout de cet aqueduc était entendu presqu'immédiatement à travers le métal , tandis qu'il ne l'était que plus tard à travers l'air.

La vitesse du son dans Tair étant représentée par i .

celle dans l'eau est de 4,5.

— eau de mer 4,7.

celle dans l'élain 7,5.

— argent 9.

— laiton 10,5.

— cuivre 12.

— fer 17.

— verre 17.

— bois divers 10 à 18.