Le son se propage-t-il dans le vide ?

La sonnerie d’un réveille-matin enfermé dans une enceinte dans laquelle on a fait le vide ne s’entend quasiment plus.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:   aco104_01

La sonnerie d’un réveille-matin enfermé dans une enceinte dans laquelle on a fait le vide ne s’entend quasiment plus.

Matériel
  • un petit réveille-matin à piles, ou un téléphone portable ;

  • une cloche à vide avec sa pompe, ou toute autre enceinte dans laquelle on peut faire le vide, au moins un vide partiel ;

  • éventuellement : un microphone, un amplificateur et un oscilloscope.

Montage et réalisation

Placer le réveille-matin sur le plateau de la cloche à vide et mettre la sonnerie en marche. On doit l’entendre distinctement de n’importe quel endroit de la pièce où se déroule l’expérience (figure 1).
Placer alors la cloche sur le plateau : à l’oreille, la sonnerie du réveil est affaiblie ; en revanche le son capté par le micro et visualisé sur l’oscilloscope est nettement augmenté, car la cloche se comporte comme une caisse de résonance.
Mettons la pompe en action pendant deux à trois minutes…

…puis arrêtons-la pour que son bruit ne perturbe pas le micro. Le signal affiché sur l’oscilloscope apparaît encore, mais il est nettement affaibli (figure 2).
Lorsqu’on ouvre le robinet d’admission d’air pour remettre l’intérieur de la cloche à la pression atmosphérique..
.

…le signal se renforce et finit par retrouver son niveau initial, et la sonnerie du réveil redevient audible.
Variante : à la place du réveille-matin, on peut placer sous la cloche un téléphone portable que l’on appellera, d’abord avant d’actionner la pompe, puis lorsque le vide sera fait.

Explications

Le son est une vibration mécanique : pour se propager, il a besoin d’un support matériel susceptible de se déformer à son passage. Dans un fluide compressible, le plus souvent l’air, cette propagation se fait sous forme d’une variation de pression créée par la source sonore. Sous l’effet de cette variation de pression, les molécules d’air situées près de la source se déplacent de part et d’autre de leur position d’équilibre (très faiblement, de l’ordre de quelques micromètres) ; ce déplacement comprime alors les molécules voisines, qui se déplacent elles aussi, et ainsi de suite : la perturbation issue de la source sonore se propage donc de proche en proche, en utilisant l’air comme support.

Dans les fluides, comme l’air et les liquides, l’onde sonore est longitudinale, c’est-à-dire que les particules vibrent parallèlement à la direction de déplacement de l’onde.

Dans le vide, le son ne trouve plus de support matériel pour se propager. C’est pourquoi la sonnerie du réveil devient inaudible au fur et à mesure que la pression dans la cloche diminue.

Remarques
  • Quand il s’agit de l’atmosphère, il convient, pour prévoir la propagation du son, de connaître en plus la structure thermique de la masse d’air traversée ainsi que la direction du vent car :

  • le son se propage moins bien à l’horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l’Antiquité (le plus célèbre d’entre eux est le théâtre antique d’Epidaure, en Grèce : les spectateurs assis aux derniers rangs situés à plus de 20 m au-dessus de la scène, peuvent entendre distinctement le bruit de chute d’une pièce de monnaie lâchée au centre du théâtre).

  • l’atténuation est nettement moins forte sous le vent (tant que son régime au sol n’est pas trop turbulent). Le gradient de vent couche l’onde sonore en la rabattant vers le sol (la vitesse du vent augmente avec la hauteur par rapport au sol). A l’inverse, l’onde voyageant contre le vent s’entend beaucoup moins au sol car le même gradient la dévie vers le ciel.

  • le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, à la suite du refroidissement nocturne, il est possible d’entendre un train à 5 km d’une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l’inversion, comme s’il était canalisé dans un guide d’onde.

Les ondes sonores se déplacent à environ 340 dans des conditions normales de pression. On peut arrondir cette valeur à un kilomètre toutes les trois secondes : ceci permet d’estimer la distance à laquelle se trouve un orage, en comptant le nombre de secondes séparant l’instant où on voit l’éclair de celui où on entend le tonnerre.

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