Onde mecanique

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					                                          Chapitre V




                                 L’ONDE MÉCANIQUE:

                                L'interaction sons - matière




Objectifs généraux:

1. Connaître la nature de l'onde sonore.
2. Connaître les phénomènes reliés à la propagation du son dans les divers milieux
3. Connaître le mode d'interaction ondes-matière et ces conséquences pour l'isolation sonique des
   bâtiments
4. Connaître des applications des ondes mécaniques dans le domaine de la sismologie terrestre et des
   ultrasons
5. Se familiariser avec un exemple de controverse quant à l'utilisation d'une onde sonore à des fins
   scientifiques
                                                                                               2
La Physique des sens : L’Onde mécanique

                                      Table des matières

1.  L’onde mécanique                                                                      4
2.  La vitesse du son                                                                     5
  2.1. La vitesse du son dans une corde vibrante                                          6
  2.2. La vitesse du son dans les liquides                                                6
  2.3. La vitesse du son dans un gaz                                                      6
3. Les unités de mesure du son et de la sensation sonore                                  7
  3.1. L'unité physique d'intensité de l’onde sonore: le décibel                          8
    3.1.1.    L'unité physiologique de l’intensité sonore: le phone                       9
    3.1.2.    Une pondération de l'échelle d'intensité sonore: le dB (A)                  9
  3.2. L’analyse spectrale du son                                                        10
  3.3. Les niveaux de bruit                                                              10
  3.4. La gestion du bruit                                                               11
  3.5. L’atténuation du bruit avec la distance                                           12
    3.5.1.    Pour une source linéaire.                                                  12
    3.5.2.    Pour une source ponctuelle.                                                12
4. Les vibrations forcées dans les instruments de musique                                13
  4.1. Cas des instruments à corde (onde transversale)                                   13
  4.2. La résonance                                                                      14
    4.2.1.    La résonance mécanique destructive                                         14
    4.2.2.    La résonance en acoustique                                                 14
5. Les monstres du Loch Ness (Nessie) et du Lac Champlain (Champ), un effet ondulatoire? 15
  5.1. Les observations des <monstres>                                                   15
  5.2. Le phénomène de sèche                                                             15
    5.2.1.    Les conditions nécessaires                                                 15
6. Les effets créés par une source en mouvement                                          16
  6.1. L’effet Doppler                                                                   16
  6.2. Le mur du son                                                                     17
  6.3. Le <boum> sonique et le nombre de Mach                                            17
7. L’interaction d’une onde sonore avec la matière                                       18
  7.1. Les propriétés physiques de l'interaction de l'onde acoustique avec la matière    18
  7.2. Les résonances dans un bâtiment                                                   20
8. L'onde mécanique, un outil de diagnostic et de mesures                                21
  8.1. La séismologie et la connaissance du globe terrestre                              21
  8.2. Les Infrasons, les effets sur la santé publique                                   21
  8.3. Les Ultrasons                                                                     22
    8.3.1.    L'effet de cavitation                                                      22
    8.3.2.    L'inoculation sans incisions                                               22
9. Une controverse sur le projet de recherche ATOC (Acoustic Thermometry of Ocean Climate)22




                                      Armel Boutard, Uqam
                                                                                                          3
La Physique des sens : L’Onde mécanique

L'acoustique est le domaine des sciences physiques et de la technique relatif à l'étude des ondes
mécaniques de la bande dite ondes sonores car susceptible d'être détectée par l'oreille. Le mot "son"
définit à la fois le phénomène acoustique de production et de propagation d'une onde et la sensation
auditive engendrée par celle-ci.
L'onde acoustique a des paramètres physiques qui lui sont propres : ainsi il est possible de mesurer
objectivement l'intensité et la fréquence des différentes ondes sonores qui forment un son. Par ailleurs, la
sensation auditive créée par l'oreille et le système nerveux affèrent est certes reliée aux paramètres
physiques de l'onde acoustique, mais l'interprétation quant à son degré de qualité ou de gêne peut varier
d'un individu à l'autre. Afin de mesurer les impacts réels, il a donc été nécessaire de définir en plus
d'unités physiques quantitatives des unités qualitatives qui mettent en jeux des paramètres physiologiques
de sensations "moyennes" propres à diverses activités (selon une moyenne établie à partir d'un grand
nombre d'individus) : activités en milieu urbain, dans le voisinage d'un aéroport, au bureau, dans l'habitat,
etc. En effet, l'évaluation de la gêne par le bruit a même certains aspects sociologiques et culturels. Celui
qui associe à la source sonore un effet bénéfique n'en subit pas la gêne à court terme.
Un son peut être plaisant, léger, harmonieux, etc.; il peut aussi être bruyant, agaçant, insupportable, etc.
Un son agressif engendre une sensation désagréable. Cet effet de "stress" qui s'ajoute à tous ceux du vécu
quotidien peut, selon son importance et les circonstances, produire des maladies ou des désordres
physiologiques. Ces problèmes de santé ne sont généralement remarqués qu'à des durées et à des
intensités supérieures à des seuils définis par des normes.
Il est bien évident que ce phénomène d'agression de l'organisme par les ondes sonores se manifeste
particulièrement dans les ateliers industriels. Pour les travailleurs de ces industries, le problème du bruit
peut atteindre des proportions que nous pouvons qualifier de tragiques. Les effets néfastes du bruit
n'apparaissent souvent qu'à long terme et il semble que les seuils d'ambiance sonore fixés actuellement
sont inadéquats car supérieurs aux limites de résorption des "fatigues" auditives.
Le grand public quant à lui est soumis au bruit urbain, reflet de l'activité de la société contemporaine. Ce
bruit est principalement dû à la circulation automobile.
L'oreille est très sensible au domaine particulier des fréquences associées à la voix humaine. Certaines
vibrations très en deçà (infrasons) ou très au-delà (ultrasons) ne sont pas détectées bien qu'elles soient très
présentes dans notre environnement. D'ailleurs certaines espèces animales les utilisent comme porteuses
d'informations utiles. Prenons l'exemple des infrasons dans la communication à distance des éléphants et
de quelques espèces de mammifères marins comme les baleines. Pour les ultrasons nous avons l'exemple
de l'écholocalisation des chauves-souris et des dauphins. Les animaux domestiques comme les chiens
sont sensibles aux ultrasons. La compagnie K-II Enterprises Camillius (N-Y) vent un appareil le Dazzer
qui émet un son à 28 300Hz permettant de commander à distance un chien sans signaux audibles pour les
humains.
Les activités anthropiques sont génératrices d'infrasons et d'ultrasons. Les cheminées à fort débit, les
tours à refroidissement des systèmes de climatisation de l'habitat urbain, les ponts, les voitures, etc. sont
des exemples de systèmes à l'utilisation desquels sont associés des infrasons que nous pouvons parfois
ressentir comme des vibrations. Les émetteurs d'ultrasons sont les sonars et les systèmes utilisés dans
l'industrie, par exemple pour le nettoyage des pièces métalliques, ou dans le monde de la santé en
diathermie (chauffage localisé) ou en visualisation (fœtus).
Il est craint que certains effets dommageables à l'être humain soient aussi engendrés par ces deux types
d'ondes de pression mécanique dont l'utilisation augmente.
L’onde sonore est la partie audible des oscillations de matière qui se propagent de proche en proche dans
les matériaux. Seul le vide peut interrompre le parcours d’une telle onde1. En effet, l'onde mécanique a
besoin d'un support matériel de propagation d’une perturbation locale, excitation des électrons, des
atomes ou des molécules, due à une brusque élévation de température (explosion), ou à un choc. Dans

1   Contrairement à l’onde électromagnétique qui elle se propage mieux dans le vide que dans la matière
                                                Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                    4
La Physique des sens : L’Onde mécanique

tous les cas l’effet est une modification locale de la pression, résultat de la compression et de la relaxation
der la matière de part et d'autre de la position d’équilibre. L'oscillation se communique de proche en
proche en s’atténuant. Finalement cette énergie mécanique sera résorbée 2 sous forme de chaleur dans le
matériau.
                                                            N-1: Briser un fil en le pliant rapidement
1.       L’onde mécanique                              Il vous est déjà arrivé de briser un fil métallique en le
L'application à une très grande vitesse d'une force pliant et le dépliant très rapidement. La température
(F, unité le newton) sur une surface (A, unité le générée par la friction locale entre les atomes vous permet
m2), comme le choc du marteau sur l'enclume, de briser le fil; soit en créant de très fines fissures, soit en
                                                       réduisant la résistance à la rupture.
engendre dans l'intervalle de temps du contact Les magiciens qui tordent ou brisent les cuillères à café
une pression3 instantanée P (P=F/S). Cette sans effort apparent utilisent cette propriété.
poussée locale entraîne une déformation variable
selon la nature du matériau, une variation de volume ou de forme pour un fluide, un allongement ou un
tassement et un rétrécissement ou un gonflement pour un matériau déformable (L, S, V).
La force de réaction à cette perturbation locale est
celle du retour à l’équilibre initial. Nous avons N-2 La déformation, une protection contre la gravité
donc des conditions propres à engendrer une des chocs
                                                        Les pare-chocs d'automobiles, les garde-fous des routes,
oscillation locale de la matière. En fait, le sont prévus pour absorber la plus grosse partie du choc
mouvement généré est semblable à celui des par déformation et rupture afin de diminuer d'autant le
oscillations d’un ressort que nous aurions risque aux occupants d'un véhicule.
auparavant étiré ou compressé. Les oscillations
vont s’amortir dans le temps, l’énergie initiale se transformant petit à petit en chaleur dispersée dans tout
le ressort.
Nous remarquons que contrairement à l'onde
électromagnétique, l’onde mécanique a besoin
pour s'établir et se propager d'un milieu
porteur. Elle ne peut pas exister, se créer ou
se propager dans le vide.
Si vous frappez votre marteau sur une masse
d'acier, il rebondira beaucoup plus haut que si
vous frappez du plomb qui lui se déforme. Si
une partie de l'énergie incidente est utilisée
pour produire une forte déformation ou,
l’écrasement des édifices atomiques ou
moléculaires du matériau, l'énergie de l’onde
de choc sera diminuée d’autant (N-2)
L'importance de la perturbation et ses
caractéristiques physiques seront donc à la
fois dépendantes des conditions de génération
de l’onde (fréquence et amplitude de l’onde à
la source sonore) et de la nature et de la
dimension des matériaux porteurs (fréquences
propres de résonance).
                                                     Figure 1: La variation de la densité, de l’élongation
                                                             avec la variation de la pression locale


2   L’énergie est conservée, l’énergie mécanique d’oscillation de la matière se transforme en énergie calorifique
3   La pression s’exprime en Pascal (N/m2), la pression atmosphérique normal est de l’ordre de 10 5P ou 100kP.
                                                 Armel Boutard, Uqam
                                                                                                              5
La Physique des sens : L’Onde mécanique

À ces oscillations de matière par rapport à la N-3 Les suspensions des voitures
position d’équilibre, ou élongation, s(t) correspond Les ressorts hélicoïdaux exercent une force de rappel
                                                         F= - kx. Ils absorbent la majeure partie de l’impact. Le
une variation de la pression locale p(t). Lorsque
                                                         rôle de l’amortisseur hydraulique est de réduire
l’élongation est maximale la pression est minimale fortement le nombre d’oscillations des ressorts
et vice versa (figure 1)                                 hélicoïdaux.
Nous avons pour l’onde sonore, les mêmes Pour vérifier l’état de vos amortisseurs, assurez-vous
variables que pour l’onde électromagnétique: , la que chaque amortisseur ne permet pas plus d’une
longueur d’onde, f la fréquence4 et T la période.        oscillation lorsque vous pesez puis relâchez à chacun
Nous avons:                                              des quatre coins de votre véhicule .
        = v T ou v/f
où v est la vitesse à laquelle se déplace la perturbation dans le milieu.
Selon sa fréquence, cette onde mécanique (oscillations locales de la matière) peut se rattacher à différents
domaines: celui des ondes sonores (perceptibles par l'oreille humaine), celui des ultrasons ou des
infrasons. Dans l'industrie, pour les bruits de basse fréquence et les infrasons on parle plutôt de
vibrations.
Pour les ingénieurs, un des grands défis est l’élimination des ondes mécaniques indésirables, que ce soit
dans le domaine du bruit ou dans celui des vibrations. Ces ondes peuvent être nocives à la santé des
usagers ou du grand public. Prenons le cas de la voiture, il est important que l’habitacle des passagers soit
isolé de tous les soubresauts de l’interface route-pneu. C’est là le rôle des amortisseurs (N-3).

2.      La vitesse du son                                      N-4 Un élastique
Pour un solide, l’élongation ou déplacement ou                 Par extension de cette notion physique
déformation S, due à l'application d'une force est plus       d’élasticité, on définit populairement l'élasticité
faible que pour un liquide et encore bien plus faible que      comme la propriété qu'ont certains corps de
pour un gaz.                                                   reprendre, au moins partiellement, leur forme
                                                               primitive quant la force d’étirement cesse d’agir.
        S sol ide < S li qui de << S gaz
En fait, on définit un paramètre d’élasticité (E), ou module d’Young5, tel que:
         P = E S
Pour une pression donnée, grandeur d’un choc par exemple, le module d’élasticité (E) du matériau est
d'autant plus grand que la déformation engendrée est faible (N-4).
Le métal est donc a priori plus élastique que les liquides et les gaz. Or, il est montré que la vitesse du son
dans un matériau dépend à la fois du module d’élasticité
                                                                   Tableau I : Valeurs caractéristiques
E et de la masse volumique  (kg/m3) (Tableau I):
                                                                        des trois états de la matière
                        vs = (E/)1/2,                                                    kg
La vitesse du son est beaucoup plus grande dans les                États      E Pa           m3      v ms
solides que dans les fluides. Dans les solides, la vitesse
croît avec la rigidité du milieu. Un matériau plus dense
                                                                    gaz       105         1           316
absorbe plus d'énergie, il transmet moins loin et plus
lentement. Pour les fluides, comme les molécules de l'air,
                                                                 liquide      109         1000        1000
O2 et N2, la vitesse augmente quand la masse volumique
diminue.
Du point de vue des ondes mécaniques, les propriétés              solide      1011        5000        4472
physiques des tissus organiques peuvent être classées comme quasi-solide (os) ou quasi-liquide (les
autres). Les tissus biologiques ont l'apparence des solides mais des propriétés acoustiques, comme celle

4 En acoustique le symbole de la fréquence est f ou encore N (nombre de cycles /s)
5 Young Thomas (1773-1829), Médecin et physicien, il s’intéressera surtout aux mécanismes de vision (expérience
optique d’interférence avec les «fentes d’Young»).
                                              Armel Boutard, Uqam
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La Physique des sens : L’Onde mécanique

de la vitesse des ondes, s'apparentent plus aux liquides. Les tissus biologiques sont de plusieurs sortes:
épithéliaux, musculaires, connectifs, nerveux, le sang, etc. Commun à tous ces tissus est leur fort contenu
en eau; sauf le gras un tissu presque libre d'eau.
         2.1.    La vitesse du son dans une corde vibrante
Dans le cas d’une corde vibrante de longueur L, l’action de pincer la corde ou de la frotter avec un archer,
a pour effet de l’étirer, et:
         E = P/(L/L),                         N-5 Vitesse du son dans une corde vibrante
         avec P = T/S ou F/S                                              T1
La force de tension (T) est colinéaire à la                     F
                                                                                    
corde et exerce une composante de rappel F                             T2
= T perpendiculaire à la section de la corde
(N-5).
La masse de la corde qui subit l’effet la La force de rappel F est une force centrale  à la courbure de la
                                                corde, tel que T1 + F = T2.
déformation locale est donnée comme :           avec T1 =T2 =T, la force de tension colinéaire à la corde
       m =  V =  S L                       vibrante est constante le long de la corde.
Nous avons pour l’expression de v:              Pour  petit,     F=T
       vs = (T.L/SL)½ = (T.L/m)½             Or, F= m ac = L vs2/r = r vs2/r = vs2
En définissant la masse par unité de longueur                          D’où: vs = (T/)1/2
comme:
        = m/L ou m/L
Nous obtenons: vs = (T/)½
Une autre forme de démonstration est donnée dans l'encart (N-5)

Problème: Qu’elle est la vitesse du son dans une corde d’acier de guitare soumise à une tension de l’ordre de 30kg?
La corde a une masse de 2 grammes et une longueur de 60cm. T= mg  300N, =2 10-3 /0,6= 10-2/3, v=(3003 102)
=300m/s.
Question de réflexion? La vitesse du son dans une barre d’acier est de 5130m/s, pourquoi cette différence?
        2.2.    La vitesse du son dans les liquides
Pour les fluides, liquides et gaz, on définit un coefficient de compressibilité qui se définit à l’inverse du
module d’élasticité des solides comme:
                                     = (V/V)/P, avec: vl = (  )-½
         2.3.   La vitesse du son dans un gaz
Dans le cas de la propagation d’une onde sonore dans un gaz, nous devons noter que les variations locales
de pression (ou la fréquence des oscillations) sont élevées. Nous sommes dans des conditions
adiabatiques (Q=0, il n’y a pas d’échange de chaleur, les températures locales varient au rythme des
oscillations expansion, compression). Il nous faut utiliser la relation de Laplace pour les gaz, avec  le
rapport des chaleurs spécifiques à volume et pression constantes respectivement (Tableau II):
                                                PV = cste.
En dérivant nous obtenons les conditions pertinentes aux variations relatives de P et V:

                                         P V + P V-1 V= 0,
en divisant les deux membres de l’équation par l’expression précédente, nous obtenons:
                                           P/P + V/V= 0.
                                           P/(V/V) = -P,




                                             Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                   7
La Physique des sens : L’Onde mécanique

Le signe (-) indique simplement que P et V varient en sens N-6 : Des propriétés de la fonction
inverse, quand la pression augmente le volume diminue. Nous logarithme (base 10)
pouvons donc omettre le signe moins pour la calcul de la       log 1 = log 100 = 0
grandeur de la vitesse du son dans un gaz.                     log 2 = 0,30103
Cela donne pour l’expression de la vitesse: vs = (E/)½,
avec:
                                                               log 10 = log 101 = 1
                          E= P/V/V                           log 100 = log 102 = 2
                                                                               log 10...0 = log10n = n
                             vs = (P/)   1/2                                 log An = nlogA
                                                                               log A B = log A + log B
Problème: L’air est principalement formé d’azote et d’oxygène; la              log A/B = log A - log B
vitesse du son dans l’air est de l’ordre de 330m/s. Pour les mêmes
conditions de température et de pression, trouvez la vitesse du son dans l’hélium? (utilisez les valeurs données dans
le tableau I).N2 ( m=28kg/kmole, 79% de l’air),O2 ( m=32kg/kmole, 21% de l’air), He ( m=4kg/kmole). Mair =
28xo,79 + 32x0,21= 28,84kg pour 22,4 m 3 ou encore 1,28kg/m3.

vHe /vair = (1,66P/4 : 1,4P/28,84)1/2 = 2,92 vHe = 330x2,92 = 964,8 m/s

Question de réflexion: Que se passe-t-il au niveau de notre voix quand nous inhalons de l’He?

L'augmentation de la température de l'air provoque                     Tableau II: Chaleurs spécifiques des gaz
l'augmentation de la pression locale, ainsi v augmente
                     ½
comme P½ donc T . En effet, en supposant que le gaz se                      Nature         CV/R      CP/R       =
comporte comme un gaz idéal, nous avons que:                                                                   CV/CP
        PV = nRT,        où n est le nombre de moles,                        He              1,5     2,49      1,66
               n = m/M,          M masse molaire                             Ne              1,5     2,46      1,64
    P = (m/V)(RT/M) = (RT/M), où R = 8314 J/kmol                      Hg (3600C)          1,5     2,50      1,67
Comme             vs = (P/)1/2                                             O2             2,48     3,48      1,40
         vs = (RT/M)1/2                                                     N2             2,48     3,48      1,40
Si v0 est la vitesse du son dans un gaz à t0C = 0,                           H2              2,4     3,39      1,41
T= 273,15 K, la vitesse du son à la température t, vt sera                  CO2             3,37     4,37      1,30
donnée comme:                                                           H2O (200 0C)        3,23     4,23      1,31
              v = v0 (1 + t/273)½ ou v = v0 (1 +  0 t)½,                   CH4             3,24     4,24      1,31
 0 = 1/273,15 la constante de Guay-Lussac pour les
variations de pression à volume constant.

Problème: Trouver la vitesse du son dans l’air à t=200C? (v=331 m/s à 00C)
      a) application de la formule vs :     vs = (1,4x 8314x293/28,8)½ = 344 m/s
      b) à partir de la valeur v0 : vs = 331(293/273)½ =343 m/s

3.     Les unités de mesure du son et de la sensation sonore
Nous avons vu que dans l’air la vitesse du son est de l’ordre de 330 m/s et donc très inférieure à celle de
la lumière (de l’ordre de 300 000 km/s)6. Mais la vitesse du son dans l'air n'est pas un paramètre
important de la physiologie du bruit.


6 On peut considérer que la perception visuelle d’un signal lumineux de notre environnement, comme l’éclaire du
tonnerre, est instantanée et qu’à chaque seconde que prend le son pour arriver jusqu'à nous il parcourt 330 m. Il suffit
de multiplier le temps en seconde écoulé, entre le flash lumineux et le roulement de tonnerre, par 330m pour
connaître la distance de l’orage.
                                                 Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                      8
La Physique des sens : L’Onde mécanique

Nous savons déjà que la sensation N-7 : La variation d’intensité par un facteur 2
sonore, comme la gêne, dépend des De combien de décibels (dB) un bruit est-il diminué quand la
propriétés physiques de l’onde, puissance d'un bruit est coupée de moitié ou doublée? Avec les
intensité, durée et spectre des décibels, il faut se méfier des réponses trop spontanées.
fréquences. La physiologie de l'oreille Par exemple, calculons la diminution de l'intensité (en dB) d'un bruit,
humaine, organe qui n’a pas une dont la puissance est coupée de moitié:
réponse linéaire au bruit, joue aussi un          N1 (dB) = 10 log (I1/Io) = 80 dB
grand rôle en privilégiant certaines              N2 (dB) = 10 log (I2/Io) avec I2 = I1 /2
parties du spectre des fréquences. La
réponse dépendra aussi de certains d'où N2 (dB) = 10 log (I1/2Io) = 10 [log (I1/Io) - log 2]
aspects psychologiques et culturels               N2 (dB) = N1 (dB) - 3 dB
d'interprétation par le cerveau qui joue Ainsi le fait de couper de moitié la puissance d'un bruit a pour effet de
le rôle d'analyseur du message sonore. diminuer ce bruit de 3dB. Superposer deux bruits égaux, c'est
Nous pouvons ainsi distinguer les augmenter le bruit global de 3dB
paramètres physiques et objectifs du son et de l’oreille, intensité, timbre et fréquence, des paramètres
physiologiques plus subjectifs, harmonie et gêne. Il est maintenant facile de mesurer tous les paramètres
physiques, l’interprétation des résultats sera dépendante de facteurs humains qu’il restera à déterminer par
des enquêtes auprès des différents groupes concernés.
         3.1.    L'unité physique d'intensité de l’onde sonore: le décibel
Un des premiers paramètres à mesurer est
celui de l’intensité sonore. C'est Weber qui
formula dès 1834 que la variation de la
stimulation est perçue pour chacune des
valeurs I de rapport I/I constant. Fechner,
en 1860, proposa que la sensation S
représente globalement la somme de toutes les
augmentations perçues lors des variations
croissantes de la stimulation et pouvait
s’exprimer par la formule8:        S = I/I
Ainsi donc, en physiologie, La loi générale de
Weber-Fechner exprime que les organes
sensoriels humains, ou l'interprétation qu'en
donne le cerveau, sont tels que l'intensité de la
sensation S communiquée varie comme le
logarithme de l'excitation.
En effet, la sensation de variation d’intensité                     Figure 2: Courbes d’isotonie7
sonore instantanée, S, est liée au rapport de         (similitude de perception subjective d’intensité sonore)
la variation d'intensité acoustique I à
l’intensité acoustique ambiante I.
Soit, S = k I/I, la plus petite variation décelable par l'oreille humaine.
Par intégration, on obtient l’expression de la sensation S :
                                                  S= k log I + constante
Cette constante nous est donnée par la condition que la sensation sonore (S 0 = 0) commence à partir d’un
seuil d’audition I0 : Nous avons donc la valeur de la constante (cste = - k log Io).

7   Tiré de: Éléments de physique et de psychoacoustique, R. Lehmann, Dunod, 1969
8   P. 54, tiré de: L’oreille et le langage, Alfred Tomatis, Éditions du Seuil, Collection «Points Sciences », 1991, 189 p.
                                                  Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                    9
La Physique des sens : L’Onde mécanique

Nous obtenons finalement que :
         S= k log I/I0.
On a défini une unité sans dimension, le Bel (en hommage à Graham Bell): n (Bels) = log (I1/Io). Le
seuil d’audition I0 a été déterminé par la mesure de celui d'un grand nombre de personnes, jeunes et
adultes de différents milieux et de différentes sociétés. On a défini, par convention, un seuil d'audition
(seuil d'intensité sonore) qui, à la fréquence de 1000 Hz, correspond à une puissance W o (Io = 10-12
watts), c'est-à-dire à une pression acoustique po:
po = 2 x 10-5 pascals.
On a l'habitude d'utiliser une unité dix fois plus petite, le décibel:
                                            n (dB) = 10 log (I1/Io)
Comme les appareils de mesure détectent les pressions acoustiques et comme I  p2, la relation
précédente peut s'écrire sous la forme suivante:
                                  n (dB) = 10 log (p1/po)2 = 20 log (p1/po)
                  3.1.1. L'unité physiologique de l’intensité sonore: le phone
Les vibrations du tympan (sous l'effet d'une onde sonore) sont transmises par l'intermédiaire du jeu
d'osselets (marteau, enclume, étrier) à la fenêtre ovale du limaçon. Dans le limaçon, les vibrations se
propagent par end olympe et excitent les cellules sensorielles ciliées de l'organe de Corti, origine du nerf
auditif qui transmet le flux nerveux engendré au cerveau (Figure 69).
L’expérience a vite montré que l’intensité physique de l’onde sonore ne correspondait pas à l’intensité de
la sensation sonore. De plus on savait l’ouïe très sensible à la nature d’harmonie ou de gêne du son
ambiant. À cause de l'importance particulière de ces paramètres, pendant une certaine période on a utilisé
deux unités correspondant chacune à ces deux sensations; ces unités sont le phone pour les sons et le noy
pour les bruits. Le phone est l'unité de sensation d'égale intensité sonore, cela quelle que soit la (ou les)
fréquence(s) d'excitation; le noy est l'unité de sensation d'égale gêne, cette unité n’est plus utilisée.
Sur la figure 2, les points d'isotonie (similitude de sensation d'intensité sonore) nous donnent les lignes
isosoniques définies selon une échelle en phones. Dire qu'un son a une sonie de 60 phones c'est dire qu'il
crée la même sensation d'intensité sonore qu'un son pur de 60 dB à 1000 Hz. (Cette fréquence est la
fréquence de référence). Un son de 40 phones procure une sensation en intensité sonore (loudness) deux
fois plus forte que le même son à 20 phones.
D’autre part, il est intéressant de noter qu’une variation de 10 phones correspond à un doublement de
l’intensité de la sensation sonore.
La mesure expérimentale des niveaux d’isotonie nous montre que l'oreille est plus sensible aux
fréquences dans l'intervalle de 500 à 5000 Hz qu'aux basses ou hautes fréquences. Ce domaine des
fréquences correspond à celui de la conversation (Figure 8). L'utilité première de l'oreille n'est-elle pas de
permettre l'intelligibilité de la parole, base de la communication entre les humains?
                  3.1.2. Une pondération de l'échelle d'intensité sonore: le dB (A)
La réponse des appareils de mesure doit être pondérée selon l’échelle des phones afin de mieux refléter la
variation en fréquence des sensations sonores. En fait, les sonomètres, sont munis de systèmes de filtres
qui permettent de mesurer les bruits à large bande et qui modifient la réponse de l'appareil selon trois
situations sonores qui correspondent à 3 courbes isosoniques de perception selon le profil des courbes
isosoniques de la figure 2:
 celle de 40 phones, dite dB (A);
 celle de 70 phones, dite dB (B);
 celle de 100 phones, dite dB (C).


9   Tiré de: Hygiène du travail, Collectif, Le Griffon d'Argile Inc., 1985 (d'après Morrison, Cornett, Tether et Gratz)
                                                 Armel Boutard, Uqam
                                                                                                              10
La Physique des sens : L’Onde mécanique

La courbe dB (A) (figure 3) a un profil similaire à
celui de la réponse à une simulation sonore de
l'oreille humaine dans un environnement calme
comme l'intérieur de l'habitat. La courbe dB (B)
correspond à la réponse en milieu du bruit urbain et
la courbe dB (C) à celle en milieu du bruit
industriel.
En fait, compte tenu des aspects subjectifs de la
réponse aux bruits, et du fait que de toute façon il
fallait introduire des facteurs spécifiques aux
différentes «ambiances sonores», c’est l'échelle des
dB(A) qui est généralement acceptée comme
mesure de tous les impacts sonores. Des facteurs
normatifs l'adaptent aux différentes situations: Figure 3 : Atténuation de la réponse en intensité
bruits dans les locaux, bruits urbain, bruits sonore selon l’analyse en dB(A), dB(B) et dB (C )
industriels, etc. Ces facteurs peuvent également
être adaptés aux aspects culturels de l'interprétation d'un son ambiant qui fait que pour les uns il est une
gêne et pour d'autres valorisant comme source d'activité économique.
         3.2.    L’analyse spectrale du son
Nous verrons plus tard que la sensation sonore, contrairement aux effets sur l’individu 10, est limitée à une
partie du spectre des ondes mécaniques. Il est parfois utile de pouvoir subdiviser ce spectre en parties
définies comme des octaves11, intervalle de fréquence f = 2f1 - f1. Ainsi, nous savons que les bruits aigus
sont le résultat de frottements lors de mouvements rapides (rotation d’axes, glissement) et d’échappement
d’air à haute pression, alors que les bruits graves et les vibrations sont plutôt le fait de battements
(déséquilibre de poulies, machines sur trois pattes, vibrations de machines outils) et d’échappement d’air
à basse pression. D’autre part c’est dans les fréquences entre 1000 et 5000 Hz que les impacts à l’oreille
interne sont les plus graves car ils peuvent endommager la réponse de l’oreille aux besoins de la
conversation.
Deux bruits de même intensité phonique (ou dB(A)) n’auront donc pas les mêmes effets ni les mêmes
actions de réduction. Il sera donc toujours utile de décomposer le bruit selon les différentes bandes
d’octave.
??
Prenez un morceau de papier et déchirez-le d’abord doucement puis très vite, vous noterez la différence de la réponse
spectrale du son ; expliquer pourquoi (utiliser la partie 1.2.1).
         3.3.    Les niveaux de bruit
On cherche bien sûr à définir des limites admissibles de bruits qui pourraient faire l’objet de règlements
administratifs. Ces limites sont donc variables dans le temps selon l’évolution des différents paramètres
socio-économico-politiques du moment. On s’est plus ou moins mis d’accord pour tout mesurer en dB ou
dB(A). Il reste à définit des méthodologies facilement reproductibles de quoi et comment mesurer. Les
paramètres de l’ambiance sonore définissent quoi mesurer. En effet, pour définir le degré de nuisance de
la circulation automobile, comme du bruit urbain, on utilise un critère particulier basé sur la relation entre
le niveau de bruit atteint et la durée d’exposition totale à ce bruit. Les niveaux sonores L 10, L50 et L90,
mesurés en dB(A), sont les niveaux qui sont atteints respectivement 10%, 50% et 90% du temps pendant
lequel on effectue la mesure du bruit : L10 donne une idée du niveau des pointes sonores, L50 représente


10   Les infrasons et les ultrasons interagissent avec le corps humain même si elles ne sont pas entendues.
11   Centrées autour de la série des fréquences suivantes : 31,5, 63,125, 250, 500, 1K, 2K, 4K, 8K, 16 K,
                                                Armel Boutard, Uqam
                                                                                                         11
La Physique des sens : L’Onde mécanique

le niveau du bruit moyen, et L90 représente le bruit de fond. L’intervalle de L = L10- L50 donnera une
indication de l’importance des pointes sonores. Plus cet intervalle sera grand moins les conditions seront
acceptables ; pensons à la qualité du sommeil
ou encore à des conditions de travail qui N-8 : Une échelle des bruits «naturels» en dB12
demandent une grande concentration.
                                                              180
?? C’est ainsi que les citadins peuvent éprouver              160
beaucoup de difficultés à dormir à la campagne
                                                              140
(L50 très proche de L90) où l’aboiement d’un chien
ou le passage d’un camion rompt le calme local.               120
Pour un même niveau de dB, le niveau de gêne est
                                                              100
aussi fonction de l’heure de la journée. L’effet de
pointe sonore a beaucoup d’importance dans la                  80
mesure de l’impact du bruit nocturne et du bruit à
faible niveau moyen avec de fortes pointes,                    60
comme celui auquel sont soumis les résidents                   40
d’une maison située dans un couloir aérien ou près
d’une ligne de chemin de fer.                                  20
                                                                   0
On a aussi définit pour un environnement le




                                                                                 au lice




                                                                                                 t
                                                                                       ep t
                                                                                               in

                                                                                                r




                                                                                   d'u ur




                                                                                               ot
                                                                                  m ine




                                                                                              sil

                                                                                du n je
                                                                                               n
                                                                                             eu

                                                                                            ha
                                                                                           go




                                                                                            al
                                                                                             e
«bruit équivalent», Leq. Il correspond à un




                                                                                           fu
                                                                                            a



                                                                            t d irat




                                                                                          qu
                                                                                           o




                                                                                         ch
                                                                          sir élép
                                                                                         m




                                                                                       d'u
                                                                                         in




                                                                                         n
                                                                                       pi




                                                                                      ca
                                                                                    hu

                                                                                      ar

                                                                                       p
niveau de bruit continu produisant pour le
                                                                                   as



                                                                                 ed




                                                                     os age
                                                                                    '
                                                                                 el
                                                               n




                                                                                 n
                                                            tio




                                                                              te
                                                                             èn



                                                                            tio

                                                                              ll

                                                                            ar
même intervalle de temps une énergie sonore



                                                                            ar



                                                                           co
                                                          ra




                                                                         na
                                                                         en




                                                                         on
                                                                         m



                                                                        dé
                                                        pi




                                                                       to
                                                                       m
                                                         s




totale égale à celle des différentes impulsions
                                                      re




                                                                   dé
                                                                    se




                                                                   bi
                                                                ris



auxquelles sont soumis les individus dans
                                                              ba




cette environnement sonore. Il est évident que Leq = L50 pour un bruit continu avec peu de variations.
          3.4.    La gestion du bruit
La gêne causée par un environ sonore sera généralement définie à partir de ces paramètres de l’ambiance
sonore comme:
                                                G = k (Leq + L)
ou k est un facteur qui dépend de l’activité, de la période de la journée (le jour on est plus tolérant que la
nuit), et de facteurs socioculturels (intransigeance ou acceptation d’un certain niveau de bruit).
Il est impossible d'isoler et de quantifier à l'aide d'une unité particulière tous les paramètres impliqués
dans les sensations sonores. L'intensité, nous l'avons dit, n'est pas le seul paramètre qui influence la forme
de la sensation sonore. La sensation crée au niveau du cerveau dépend du cadre de référence socioculturel
et individuel. Le bruit la nuit du goutte à goutte d'un robinet, le crissement de la craie ou des ongles sur un
tableau, sont pour beaucoup de gens plus insupportables que la musique rock bruyante d'une discothèque.
Ainsi en acoustique le critère individuel, subjectif de l'interprétation de la sensation en tant que gêne des
sons prend une importance toute particulière.
En règle général le facteur (k) sera déterminé empiriquement à partir d’enquêtes ou de données quant au
nombre de plaintes générées (exemple du bruit d’aéroport) et correspondra à des catégories plus qu’à une
valeur chiffrée. Ces catégories seront aussi générales que : niveau de bruit insatisfaisant, passable, moyen,
bon. Le niveau insatisfaisant correspondant à un pourcentage de 10 à 20% d’insatisfaits. Mais tout cela
peut varier selon l’importance des enjeux socio-économique en cause.
Le bruit est un corollaire de toute activité humaine, et généralement il faut faire «la part du bruit» quant
on sait :


12   Discover, décembre 2003, p.57
                                              Armel Boutard, Uqam
                                                                                                           12
La Physique des sens : L’Onde mécanique

                que de réduire de moitié l’intensité de l’onde sonore ne fait que réduire la sensation
          d’intensité sonore de 3 dB et que, par conséquent, les coûts impliqués dans une réduction
          importante du bruit ambiant seront importants
                qu’une autre façon de réduire le bruit est de réduire ou réglementer les activités,
          avec les implications économiques que cela a (et même politique dans un contexte de
          déréglementation)
                qu’il est difficile de changer les comportements des gens, ils utilisent en
          permanence leur baladeur, les discothèques ont des niveaux de bruit de plus de 100 dB,
          tout le monde veut le libre usage de sa voiture
Bref, ce qui est bruit pour les uns est activité
ludique pour les autres. En fait, la réduction
des impacts sonores demande une action
                                                                       r1               r2
énergique, soutenue et planifiée. Cela ne peut
bien se faire que dans le cadre d’une stratégie
globale de gestion environnementale des                                                   a) source ponctuelle
milieux        industriels,     urbains       et                                           symétrie sphérique
communautaires : gestion des risques, gestion
de la santé et de la sécurité industrielle et
publique, amélioration du cadre de vie, etc.
Au niveau de la ville, les préoccupations pour                          r1             r2
le bruit peuvent s’intégrer dans les règlements
de zonage urbain. Au niveau des industries il                                                  a) source linéaire
                                                                                             symétrie cylindrique
est possible d’isoler les ateliers ou procédés
les plus bruyants comme on le fait pour les
procédés utilisant des matériaux toxiques ou                Figure 4 : Modes de distribution du bruit
dangereux (radiations, poisons, explosifs). Il
est aussi possible d’assurer une protection individuelle à l’aide de protège oreilles.
         3.5.     L’atténuation du bruit avec la distance
Le bruit s’atténue au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la source. Mais l’atténuation est différente
selon que le bruit est issu d’une source ponctuelle ou d’une source linéaire (figure 4). Le premier cas
s’applique au cas d’une machine dans un atelier, ou à la circulation automobile dans le cas où la densité
de véhicules est faible (la nuit par exemple, ou en milieu rural). Si la densité de véhicules est grande (le
jour, sur un axe routier), la source de bruit a l’apparence d’une source linéaire, dans ce cas, non seulement
l’intensité totale du bruit est plus grande, mais de plus, l’atténuation en fonction de l’éloignement de l’axe
routier est deux fois moindre.
                  3.5.1. Pour une source linéaire.
Le niveau de bruit mesuré se dénote souvent par la lettre L ( de l’anglais level)
                                           L (dB) = 10 log (W/W0),
Le bruit de la source d’intensité Q se propage dans l’espace et traverse la surface de cylindres successifs
de rayon ri. Nous avons que : Wi = Q / 2πri l,
où l est la longueur de la source linéaire (du cylindre).
La puissance reçue à une distance ri est inversement proportionnelle à la distance.
                                                  W1/W2 = r1/r2
Pour r2 = 2r1, il y a une chute de 3dB dans le niveau de bruit reçu.
La distribution est différente pour le bruit d'une machine stationnaire.
                  3.5.2. Pour une source ponctuelle.
Dans le cas d’une source ponctuelle, la distribution de la propagation du bruit est cylindrique, et :

                                            Armel Boutard, Uqam
                                                                                                       13
La Physique des sens : L’Onde mécanique

                                                 Wi = Q / 4πri2 .
La puissance reçue à une distance ri varie comme l’inverse du carré de la distance. Le rapport des
intensités reçues entre deux positions r1 et r2 est donné comme:
                                                W1/W2 = (r1/r2)2
Pour r2 = 2r1, il y a une chute de 6 dB.
L’éloignement, et donc la fuite, est une meilleure parade dans le cas d’une émission ponctuelle de type
agressif que dans le cas d’une émission linéaire.

4.      Les vibrations forcées dans les instruments de musique
Nous pouvons appliquer ces résultats et l’effet de résonance (fréquence fondamentale de vibration) à la
production de sons par les instruments à corde et à vent (voir page 19 chapitre suivant).
         4.1.   Cas des instruments à corde (onde transversale)
Si on soumet une corde fixée à ses deux extrémités à une vibration de fréquence variable, il se produira un
système d'ondes stationnaires (effet de résonance) pour une fréquence particulière. Comme la corde est fixée
aux deux extrémités, celles-ci sont obligatoirement des points fixes, donc des nœuds. Le ventre ou maximum
d’amplitude de la corde sera au milieu. La longueur de la corde correspond à ½ longueur d’onde, ½ . La
première harmonique correspond à deux de ces fuseaux et ainsi de suite.
      v = (T/)½, et     f = v/.
Soit L la longueur de la corde, il y aura un système d'ondes stationnaires si (figure 5):
      L = ½(k+1), k=0,1,2....
                                                                               L=½
       L = ½(k+1)v/f                                                                                nœud
ou: f = ½(k+1)v/L
                                                                             ventre
On dit qu'il y a résonance lorsque ces conditions sont
rencontrées. Le violoniste en appuyant la corde à des
endroits déterminés, modifie la longueur vibrante; les sons
sont d'autant plus aigus que la distance est courte.                              L = 3/2 
Les divers sons que peut rendre la corde correspondent aux
différentes valeurs de k. Pour k=0 la corde donne le son
fondamental. Les autres sons (k=1,2,3,4..) sont dits                          fuseaux
harmoniques. Le son fondamental peut être supprimé au           Figure 5 : Ondes stationnaires, cas des
profit d'une harmonique si nous touchons la corde en un         cordes
point qui correspond à un nœud de l'harmonique. Les
marteaux du piano frappe les cordes au 1/7 ou au 1/9 de leur longueur. Il ne peut se produire de ventre à cet
endroit et on évite ainsi la présence de cet harmonique qui donnerait un timbre désagréable.
La corde pincée (guitare) produit une onde sinusoïdale, la corde de violon entraînée pat l'archer génère une
onde «dent de scie».
Il est possible aussi, pour une fréquence donnée, de faire varier la tension (T) dans la corde de façon à
obtenir les conditions propres à la résonance:
       T =  (2f L /(k+1))2.
Le fondamental est donné par k=0, les autres valeurs de k correspondent à ce qu'il est convenu d'appeler les
harmoniques.
       2.2 Cas d'un instrument à vent (onde longitudinale)
Les extrémités des tuyaux peuvent être fermées ou ouvertes. Dans le premier cas cela correspond à une
condition aux limites de nœuds (amplitude nulle des oscillations), dans l'autre cas de ventres (oscillations
maximales) (figure 6).
Rappelons qu'à un nœud de vibration correspond un ventre de pression, et vice versa. Or, l'oreille est
sensible à la pression et percevra un maximum d'intensité sonore aux nœuds de vibration. Par contre, si nous
                                           Armel Boutard, Uqam
                                                                                                          14
La Physique des sens : L’Onde mécanique

mettons de la poussière de liège (bouchon) dans un tube horizontal en condition de résonance, nous allons
voir la matière se déplacer en faisant de petits monticules aux nœuds de vibrations. Elle est complètement
évacuée des ventres (Tube de Kundt).
La source, que ce soit un jet d'air (orgue), une anche ou une embouchure, émet un son mal défini, complexe.
En fait il est important qu'il corresponde à un grand spectre
de fréquences; fréquences qui pourront excitées la cavité                         L0 =¼
résonante. L'embouchure représente un ventre de vibration                         
et correspond à une extrémité ouverte. Les vibrations autres
que celle que renforce le tuyau sont très rapidement
                                                                                  L1 = ¾ 
amorties.
Dans un tuyau ouvert aux deux extrémités, les fréquences de
résonance correspondent à:
        f= ½(k+1)v/l.                                                             L0
                                                                                  =½
Le son fondamental correspond à:
        f = ½v/l ou l = ½.
Dans un tuyau fermé à une extrémité, les fréquences de
                                                                                  L1 = 
résonance correspondent à:
        f = ¼(2k+1)v/l.
Le son fondamental correspond à f =¼v/l ou l= ¼.
Un tuyau fermé donne la même fréquence qu'un tuyau
ouvert de longueur double .                                            Figure 6 : Ondes stationnaires, cas
                                                                       des instruments à vent
          4.2.    La résonance
La résonance correspond à un état d’interaction ou d’excitation optimale, d’absorption ou d’émission
d’énergie sous la forme d’une onde mécanique ou d’une onde électromagnétique. Un système va donc
vibrer comme une cloche d’église, ou émettre une onde lumineuse (coloration), à des fréquences très
particulières (dites fréquences propres) qui caractérisent ce système.
                  4.2.1. La résonance mécanique destructive
Dans la vie courante, il faut éviter qu'un objet soit excité à ses fréquences de résonance. En effet, cet état
correspond à l'absorption maximale d'énergie. Au ventre des oscillations correspondent des stress sur les
matériaux. Aux interfaces entre des morceaux, correspondent des stress sur les écrous et boulons. Cela peut
aller jusqu'à la destruction de l'objet.
Cela est arrivé le 14 avril 1850, alors qu'une troupe marchait au pas cadencé sur un pont suspendu au-dessus
de la Maine, à Angers (France). Il y eu résonance entre la fréquence du pas cadencé et la fréquence propre
d'oscillation du pont. Le pont prit une telle amplitude de vibration qu'il céda entraînant les militaires dans le
fleuve (Eurin et Guimiot, Physique , hachette, 1958, p.278). La même chose se produisit au pont suspendu
de Tacoma Narrows dans l'état de Washington en 1940. Par jour de grands vents il se mit à vibrer à sa
fréquence de résonance. Les vibrations devinrent si importantes que la travée s'écroula (Hirsch, La physique
et le monde moderne, Guérin, 1991,p.242).
Les bâtisseurs de gratte-ciels créent des masses mobiles à des hauteurs stratégiques dont le mouvement
permet d'atténuer les oscillations naturelles du bâtiment. Ce système est aussi une sécurité contre l'effet de
tremblements de terre.
Le corps humain possède aussi des fréquences de résonance variables selon les membres ou les organes. Le
corps entier a une fréquence propre de l'ordre de 6Hz, 25Hz pour la tête, 60Hz pour la cage thoracique, etc.
                  4.2.2. La résonance en acoustique
Faisons vibrer un diapason et appuyons sa base sur une table, le son devra renforcé. C'est aussi le propre des
instruments: violon, guitare, piano, de renforcer le son émis par les cordes vibrantes. Une corde vibrante peut
entraîner par couplage de résonance la vibration de la corde d'un autre instrument. Pour éviter que la caisse

                                            Armel Boutard, Uqam
                                                                                                       15
La Physique des sens : L’Onde mécanique

renforce une fréquence plus qu'une autre, on réalise un couplage serré par un morceau de bois appelé l'âme.
Il se produit une vibration forcée. Un bibelot qui vibre, le verre qui se brise pour une note donnée sont des
objets qui rentrent en résonance acoustique libre; ils ne vibrent que pour une fréquence très particulière.
Dans un orchestre, un violon très légèrement désaccordé joue cependant juste à l'unisson.
Les hauts parleurs, le tympan de l'oreille sont aussi des résonateurs, mais très amortis.

5.      Les monstres du Loch Ness (Nessie) et du Lac Champlain (Champ), un effet ondulatoire13?
Le Loch Ness est un lac profond de plus de 200 mètres, de près de 40 kms de long, très étroit, moins de
2,5 kms de large. Le Lac Champlain est un lac très profond, jusqu’à plus de 100 mètres par endroits, très
long
Ces deux lacs ont des similitudes, ce sont des anciens réservoirs d’eaux salées avec accès à la mer et les
deux sont orientés N-S. Ils sont riches en poisson et ont bien sûr des plésiosaures timides comme
résidents… ces reptiles marins de l’époque du Jurassique et du Crétacé ont une taille variant de 15 à 40
pieds et auraient disparus avec les dinosaures il y a 65 millions d’années.
       5.1.    Les observations des <monstres>
Les observations, plus de 300, ont été rapportées depuis des siècles par des centaines de personnes dont
des marins, hommes d’églises, docteurs, un directeur d’école, un policier et un historien.. Même Samuel
de Champlain clama avoir vu le monstre. Cela arrive surtout au printemps et à l’automne.
         5.2.     Le phénomène de sèche
Une équipe de trois chercheurs14 a trouvé que le lac oscille. Ce phénomène de sèche se traduit par une
petite vaguelette en surface de l’ordre de 2 à 3 cm, et d’une vague monstrueuse de plus de 10m qui se
propage dans tout le bassin du lac à l’interface des eaux froides du fond et des eaux plus chaudes de la
surface. Ils rapportent que cette vague pourrait même atteindre une hauteur de près de 100m! Ce qu’il y a
de plus frappant c’est que ce phénomène de sèche peut avoir lieu alors que la surface du lac reste lisse.
                  5.2.1. Les conditions nécessaires
Certaines conditions sont nécessaires à l’apparition d’un tel phénomène. Il faut qu’il y ait une
stratification thermique des eaux. Dans ces deux lacs profonds les eaux deviennent très froide au cours de
l’hiver. Au printemps les eaux de surface se réchauffent. Les vents de printemps venant du sud, dans le
sens de la longueur des lacs, mélangent les eaux de surface et participent à l’effet de réchauffement des
eaux jusqu’à une profondeur d’environ 20m. Il se produit alors un effet d’interface qui délimite deux
masses d’eau aux densités différentes qui, un peu comme le mélange d’huile et de vinaigre, sont libres de
glisser et de mouvoir l’une par rapport à l’autre.
Au printemps le vent qui souffle pendant plusieurs jours, entraîne les eaux de surface à la tête du lac. Les
eaux froides s’enfoncent pour rétablir l’équilibre. À mesure que ce processus s’amplifie l’interface entre
les deux eaux va prendre une pente de plus en plus grande, élevée au sud et enfoncée au nord. La
différence de niveau peut atteindre 10 m ou plus, alors qu’il n’est que de quelques centimètres au niveau
du lac.
Lorsque le vent arrête de souffler, ce qui arrive éventuellement, il se produit le phénomène de la sèche..
Et, par analogie à l’eau de votre bain qui se met à osciller dans la baignoire au risque de passer par dessus
les extrémités quand vous vous levez brusquement. Lors de l’arrêt brusque du vent, l’excès d’eau de
surface dans la partie nord s’écoule vers le sud et commence un mouvement de va et vient qui s’amortit

13 Tiré de: Discover, Dick Teresi, avril 1998, p.87-92
14 Robert Prigo, physicien, Thomas Mauley, géologiste et Benjamin Connell, étudiant gradué, du Collège de
Middlebury. Ces chercheurs étudient le lac Champlain depuis de nombreuses années et disposent d’un bateau de
recherche, dans Discover, Dick Teresi, avril 1998, p.87-92

                                           Armel Boutard, Uqam
                                                                                                      16
La Physique des sens : L’Onde mécanique

relativement rapidement. Cela déclenche le mécanisme d’oscillation inverse dans la couche profonde
d’eau froide.
Cependant comme nous le verrons la taille et la vitesse de la vague (de l’onde) dépend en partie de la
profondeur, de la masse d’eau en jeu et de la différence de densité entre les deux milieux. Pour ce dernier
paramètre, la vitesse de l’onde à l’interface de deux milieux est proportionnelle à la différence de densité
entre les deux milieux, alors que la hauteur de la vague y est inversement proportionnelle. Cela explique
la faible amplitude de quelques centimètres à la surface de l’eau (interface eau-air) et la grande amplitude
à l’interface eaux froides- eaux plus chaudes. Dans le premier cas la période est de 4 heures, elle est de 4
jours pour la vague d’entre les eaux. La vague de surface s’amortit en 8 à 12 heures alors que la sèche
d’interface, cachée, continue pour 8 à 10 jours. Pour le lac Champlain, la sèche est non linéaire, elle
ondule sous l’action de vent en travers du lac qui introduit une composante transversale au mouvement. Il
est alors possible qu’une telle vague puisse porter un tronc d’arbre (long cou du monstre) ou de la
végétation (matière ondulante à la surface de l’eau), matière imbibée d’eau et qui se trouvait par
conséquent entre deux eaux, c’est à dire à flotter sur l’eau plus froide et plus dense.

6.      Les effets créés par une source en mouvement
         6.1.    L’effet Doppler
Lorsque la source sonore et l’observateur
sont en mouvement l’un par rapport à
l’autre, la fréquence du son perçu par
l’observateur change selon le mouvement
relatif de la source et de l’observateur. Ce                                                    A1
                                                                                S2       A2
curieux phénomène a reçu le nom d’effet
Doppler.                                                               S1
Prenons le cas d’une source sonore S
animée d’un mouvement rectiligne vers un
observateur O immobile. Sa vitesse est v.
La vitesse du son est vs (figure 7).
Supposons que corresponde aux deux
positions S1 et S2 l’émission d’un maximum
de vibration. Au temps t, le premier                Figure 7: L'effet Doppler d'une source en mouvement
maximum a atteint la position A1 et le
deuxième la position A2. Lorsque la source et l’observateur sont immobiles il s’écoule le temps T
(période) entre le passage de deux maxima de vibration. Le temps de passage entre les deux maxima, qui
au temps t sont en A1 et A2, sera maintenant T’.
       S1S2 = vT
       S1 A1 = vst
       S2A2 = vs (t-T)
A2A1 est la nouvelle longueur d’onde apparente ’, c’est à dire sensible à l’observateur; en appliquant la
propriété d’addition et de soustraction de vecteurs colinéaires, nous avons que :
A2A1 = A2 S2 + S2 S1 + S1A1 = S1A1 - S2A2 - S1S2
A2A1 = vs t - vst + vs T - vT
       = T (vs-v) = T’v
ou : T’ = T (vs-v)/v
Si l’observateur est lui aussi en mouvement (vitesse u),
       A2A1 = T (vs-v) = T’ (v+u)
       T’ = T (vs - v)/ (v+u)
       ou encore, f’ = f (v+u)/ (vs-v)

                                          Armel Boutard, Uqam
                                                                                                              17
La Physique des sens : L’Onde mécanique

                         si v  0  f’ f                    N-9: Le survol de régions du Labrador par
                         si v  0  f’ f                    les avions militaires
Si la source et l’observateur se déplace dans les Nous rappelons la lutte que font les autochtones
directions opposées il faut changer le signe de v et de u.   des régions survolés par les militaires de
Lorsque le mouvement relatif de l’émetteur et du plusieurs pays qui viennent s’entraîner au
                                                             Canada. Ils se plaignent des effets sur la faune
récepteur est l’un vers l’autre, la fréquence apparente des grands mammifères
résultante croît, à une fréquence plus élevée correspond
un son plus aigu. Dans le cas contraire, la fréquence apparente diminue et correspond à un son plus
grave.
Lorsque les trajectoires, de la source ou de l’observateur, ne sont pas colinéaires, il faut décomposer les
vitesses en deux composantes perpendiculaires l’une à l’autre. Seules les composantes radiales
(colinéaires) sont à considérer.
        6.2.     Le mur du son
Cette expression a été utilisée lorsque les premiers essais en soufflerie des modèles d’avions qui devaient
être équipés de moteurs leur permettant d’approcher et même de dépasser la vitesse du son dans l’air
(1190 km /h) montrèrent que des vibrations étaient générées et qu’elles pouvaient même désintégrées
l’appareil. Tout se passait comme si l’appareil devait traverser un mur d’énergie sonore accumulée devant
lui.
Nous pouvons reprendre le cas précédent d’une source en
mouvement. Cette fois-ci nous avons que v = vs. Cela revient à dire         1 2                       1
que: A1A2 = 0; tous les maxima de vibration émis au cours du trajet                           2
sont superposés en A2. En fait, la source émettrice court après les                    33
ondes qu’elle émet et est même confondue avec le front d’onde en                4
A2 (figure 8). Toute l’énergie vibratoire émise se trouve accumulée
devant la source et sur elle; l’avion qui pénètre dans le mur du son
est soumis à des efforts considérables. La désintégration des
premiers appareils qui ont atteint cette vitesse a mené à l’expression        Figure 8: Le mur du son
de <mur du son> pour exprimer cette condition particulière.
        6.3.     Le <boum> sonique et le nombre de Mach15
Dès que l’avion vole à une vitesse supérieure à la vitesse du son, les sphères d’ondes ne sont plus
intérieures l’une à l’autre. Émises à partir de la trajectoire de l’avion, elles sont toutes à un même temps t
tangentes à un cône d’onde de choc le long duquel s’accumule l’énergie vibratoire générée. Ce cône est
de demi-angle , tel que sin  = vs /V, ou V est la vitesse de l’avion, du missile ou du projectile (figure 6).
On peut photographier la trace du projectile, mesurer l’angle et en déduire sa vitesse V.
En réalité, les variations de la température et de la pression de l’atmosphère avec l’altitude font que la
vitesse vs n’est pas constante au cours du trajet des ondes, et les ondes de choc ne sont pas exactement




                               V
                          vs               sin  = vS/V

                                        Figure 9: La signature du boum sonique              
15   Mach Ernst (1839-1916), Physicien et philosophe Autrichien, il établit le rôle du son en aérodynamique
                                                Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                  18
La Physique des sens : L’Onde mécanique

réparties le long d’un cône.
Dans la zone balayée par le cône (figure 9), la perception auditive du boum sonique à la forme
caractéristique d’un N. Ce signal correspond à un rapide temps de montée () jusqu’à un maximum P,
une chute relativement lente à une pression plus faible que la pression atmosphérique ambiante, puis à
une rapide remontée à la pression normale. La durée totale de cette brusque variation de P dépend de la
taille et de la forme de l’objet supersonique. Ce sera un simple claquement sec pour une balle et non le
double      boum      typique     de   l’avion N-10 : La longue portée des basses fréquences
supersonique.                                     • Par temps de brume et de mauvaise visibilité, les bateaux
Pour le Concorde (L= 56,4 m, T = 400ms) a           utilisent une sirène de très basse fréquence. Le son porte
une altitude de 20km, la région atteinte est        beaucoup plus loin.
de l’ordre de 80 à 130km; la variation de • Du système de son de l'appartement voisin, les seuls sons
pression locale atteint         100 Pascals16       qui traversent les murs d'une cloison sont les basses
(140dB). À cause de la forme en N du                fréquences, contre basse et grosse caisse.
signal, la sensation sonore est un peu            • Afin de rester en contact à des distances de quelques
                                                    kilomètres, même dans les zones boisées, les éléphants
atténuée et est équivalente au bruit d’une
                                                    utilisent le spectre des infrasons entre 15 et 25HZ,
onde sinusoïdale de 120dB. Cela correspond          fréquences si basses qu'elles sont inaudibles à l'être
au seuil de la douleur.                             humain.
Il est facile de comprendre que la
soudaineté et la grandeur de l’effet sont des sources importantes de gêne (N-9). De plus il faut tenir
compte du bruit des moteurs de plus en plus puissants. L’intensité du <boum> sonore est d’autant plus
forte que le temps de montée  est bref. Il est possible de diminuer l’importance du boum en allongeant le
temps de montée, mais souvent ces modifications vont à l’encontre des caractéristiques d’une bonne
<portée>17.
Le nombre de Mach se définit comme le rapport de la vitesse
de l’avion à la vitesse du son dans l’air.                            N-11: Atténuation des ultrasons par
       NM = V/vs = 1/sin .                                           les tissus biologiques
       Par exemple, un nombre de Mach de 0,6 correspond à Les impédances acoustiques de deux tissus
                                                                      biologiques adjacents sont à 1% près
une vitesse de 715 km/h, un nombre de Mach de 1,3 correspond
                                                                      semblables (Z  1,5 Mrayles). Les
à une vitesse de 1550 km/h. Il faut par contre tenir de la techniques de spectrographie ultrasons
variation de la vitesse du son avec la température et la pression demandent une grande sophistication du
de l’air, donc avec l’altitude.                                       traitement du signal.

7.       L’interaction d’une onde sonore avec la matière
Comme nous le verrons dans le chapitre suivant, la sensation sonore est le résultat de deux causes, l'une
est physique et est liée à l'intensité et à la fréquence de l'onde générée dans un milieu et aux
caractéristiques de ce milieu, l'autre est physiologique et est liée à la réponse particulière de l'oreille et à
l'interprétation qu'en fait le cerveau. Elle est ainsi relativement subjective et complexe et peut varier
selon les individus et leur environnement socioculturel. Nous nous intéresserons à ces effets particuliers
dans le chapitre suivant. Une première action dans la lutte contre les effets nocifs du bruit est d'en
diminuer l'intensité et la propagation.
         7.1.     Les propriétés physiques de l'interaction de l'onde acoustique avec la matière
La variation d’amplitude des oscillations est liée à la variation de pression locale (A  p), c’est d’ailleurs
ce paramètre que mesure les sonomètres et autres jauges de mesure de l’intensité de l’onde. L'intensité


16 La pression s’exprime en Pascal (N/m2), la pression atmosphérique normal est de l’ordre de 100kP.
17 La force de poussée de l’air sur l’avion peut se décomposer selon une force de traînée, colinéaire à la trajectoire de
l’avion, et une force perpendiculaire de portée qui <soulève> l’avion.
                                               Armel Boutard, Uqam
                                                                                                      19
La Physique des sens : L’Onde mécanique

acoustique correspond à l'énergie sonore transmise par unité de temps et de surface. Elle s'exprime en
Watt/m2. Dans le cas le plus simple d'une onde plane monochromatique, on a que: I = p²/v
L'intensité acoustique est donc proportionnelle au carré de l'amplitude de pression mécanique localement
créée. Elle dépend du milieu de propagation (, v).
On définit d'ailleurs la quantité v comme l'impédance acoustique caractéristique du milieu.
                                     Z = v en unité de rayl (kg/m2 • s)
L'atténuation de l'onde sera d'autant plus grande que Z est grand.
On remarque la variation de l'affaiblissement avec la fréquence. L'affaiblissement d'un matériau est
beaucoup plus faible pour les basses fréquences que pour les moyennes et hautes fréquences (N-10 et N-
11).




          Figure 10. Courbes de variation de l'indice d'isolement sonore de cloisons homogènes en
                           fonction de la fréquence pour différentes valeurs de Z18
L'onde acoustique est réfléchie ou réfractée à l'interface de deux milieux selon des lois comparables à
celles des mêmes phénomènes pour l'onde électromagnétique (figure 10).
                                      k1 sin i = k1 sin r = k2 sin 2
avec  = 2f, et k , le nombre d'ondes, k = /v.
Dans le cas des ondes acoustiques, si v1 < v2, nous
définissons aussi un angle critique d'incidence du son sur          Onde incidente
                       -1 v
une surface: i c = sin v1                                                      i
                                 2
Pour les angles d'incidence plus grands que la valeur i il                                         r
                                                                              i
n'y a pas de pénétration du milieu (2); il y a réflexion              Onde réfléchie
totale.                                                                                      Onde transmise
Pour le bilan énergétique, nous avons que le bilan entre
les énergies incidente (Ei), réfléchie (Er) et transmise ou
absorbée (Et) est tel que:                                      Figure 11: Interactions d'une onde acoustique
        Ei = Er + Et                                                     à l'interface de deux milieux
On définit le coefficient d'atténuation (), (coefficient de sabine).
         = Et/Ei = 4Z1Z2/(Z2+Z1)½

18   Tiré de: Que sais-je? L'acoustique des bâtiments, par René Lehmann, Presses Univ. de France
                                              Armel Boutard, Uqam
                                                                                                        20
La Physique des sens : L’Onde mécanique

L'énergie absorbée dépend de  mais aussi de l'aire des parois. Or, dans une pièce les parois n'ont pas
toutes les mêmes dimensions ni ne sont faites des mêmes matériaux. On définit généralement pour chaque
matériau une aire d'absorption équivalente (A) à celle voulue pour un local de surface totale S. Plus A est
petit meilleur est le matériau. Cette qualité se retrouve dans le coefficient d'absorption moyen m = A/S
(Tableau III).
Si l'atténuation d'une paroi varie avec la bande de fréquence de l'onde acoustique (figure 10 et Tableau
III), le niveau de bruit dans une pièce dépend aussi de l'état physique de l'interface entre les deux milieux
(air et mur). Cela est dû à la réverbération, phénomène très influencé par l'état de porosité et de rugosité
de la surface.
                                                        N–12 : Les tremblements de Terre
          7.2.   Les résonances dans un bâtiment19      (Discover, avril 2003 p.12)
Russel      DuPree     (California    State    Health En 1985 un tremblement de terre de magnitude 8,1
department) et Waren Blazier, consultants en renversa 400 grattes-ciel dans la ville de Mexico; 10
acoustique, ont construit une maquette d’un logis 000 personnes périrent. Le bilan ne fut que de deux
de deux pièces à deux étages. Ils ont reproduit à douzaines de morts pour un tremblement de terre de
l’étage supérieur les divers bruits qu’y font des même magnitude dans la région de Colima (Mexique).
                                                        La différence c’est la nature respective du sol de ces
locataires, comme marcher vers 3 h du matin dans
                                                        deux endroits qui modifie le spectre des fréquences.
un couloir vers la salle de bain. Leurs tests ont Mexico est construite dans la fosse d’un ancien lac qui
montré que les techniques de construction sont vibre à une période de 2,5 Hz, la même que celle de
elles-mêmes la cause de la transmission des chocs bâtiments de 7 à 18 étages. La résonance qui s’établit
et des bruits. Ils trouvèrent que ce type de amplifie le mouvement d’oscillation.
construction légère en structure de bois ont des Des techniques de construction permettent de modifier
fréquences naturelles entre 15 et 35 Hz. la fréquence propre des bâtiments, mais cela en
Malheureusement la marche excite naturellement augmente le coût.
ces fréquences et amplifie ainsi leur impact. Beaucoup de villes (dont Los Angeles et Seattle) sont
L’ajout de tapis ou le port de chaussons, mesures aussi construites sur des alluvions.
qui sont bonnes pour amortir les plus hautes fréquences, peuvent même rendre le problème plus grave. Si
vous marchez avec des chaussons sur un tapis, l’énergie met plus de temps à se propager, ce qui augmente
la probabilité du phénomène de résonance dans cette bande de fréquence.
                      Tableau III: Coefficients d'absorption moyen de divers matériaux20

                  Matériaux                    Fréquences centrales de bandes d'octaves (Hz)
                                             150      250       500      1000     2000     4000
              tôle métallique                0,01     0,02      0,03     0,03     0,04     0,04
       mur de brique non enduit              0,03     0,03      0,04     0,04     0,05     0,07
                 béton brut                  0,02     0,04      0,05     0,05     0,10     0,05
           Gyproc (½ pouce)                  0,29     0,10      0,05     0,04     0,07     0,09
               sol de terrazo                0,01     0,01      0,02     0,02     0,03     0,03
             plancher de bois                0,04     0,05      0,06     0,07     0,06     0,07
          tapis lourd sur béton              0.02     0,06      0,14     0,32     0,60     0,67
            grande baie vitrée               0,18     0,06      0,04     0,03     0,02     0,02
      rideau de velours tendu sur            0,03     0,04      0,11     0,17     0,24     0,37
                  un mur
Une solution pour ce type de construction serait de raccourcir les poutres en les mettant dans le sens de la
plus petite dimension (cela augmente la fréquence de résonance), mais cela augmente le coût.

19   Discover, mars 1995, p.20 <Shoot the builder>
20   p.176, tiré de: Hygiène du travail, collectif, Le griffon d'argile inc. 1985, 706 p.
                                                   Armel Boutard, Uqam
                                                                                                           21
La Physique des sens : L’Onde mécanique

8.       L'onde mécanique, un outil de diagnostic et de mesures
En 1992, la Chine fit exploser une bombe nucléaire 40 fois plus puissante que celle d'Hiroshima à une
profondeur d'un mile sous terre21. Les ondes sismiques capturées en divers points du globe permirent de
déterminer le site, mais plus important le front d'onde principal détecté aux États-Unis quelques 12 minutes
après l'explosion, fut suivi entre 1 et 3 secondes après par une autre secousse aussi importante résultat d'une
diffusion sur une structure de 300 km de large par 130 km d'épaisseur à la frontière manteau-noyau. Les
explosions nucléaires à cause du signal puissant et court émis sont d'excellentes sources d'analyse de la
structure du globe22. Le “bloc” détecté doit être plus rigide ou plus froid que le manteau produisant une
accélération de la partie de l'onde le traversant. Cela pourrait être une partie d'un courant “froid” descendant,
ouvrant la possibilité que le manteau soit le lieu de courants de convection de matières en fusion.
         8.1.     La séismologie et la connaissance du globe terrestre
Un tremblement de terre23 engendre une onde de
choc puissante capable de faire trembler et de fissurer
le sol. Mais encore longtemps après ces événements
les ondes sismiques engendrées qui sont de deux
sortes, soit de compression ou encore de vibration
longitudinale, vl = (K+4/3)/½, soit de cisaillement
ou de vibration transversale, vt = (/)½, se déplacent
à travers le globe en interagissant avec les différents
éléments en révélant même les structures (figure
12)24. En effet, les différentes couches constituant le Figure 12 : Les ondes sismiques d’un fort
globe sont de température et de composition tremblement de terre
chimique différentes. Elles constituent donc des
couches où les ondes vont se déplacer à des vitesses différentes et avec lesquelles elles vont interagir
différemment selon les processus de réflexion, réfraction et de diffraction. En effet, la vitesse est fonction de
la densité (), de la rigidité () et de la compressibilité (K) des différentes couches du globe; propriétés qui
dépendent de la température, de la composition chimique et de la pression locale25. Les roches froides plus
rigides seront caractérisées par des vitesses plus grandes que les roches plus chaudes.
L'analyse de plusieurs millions de données sur les ondes sismiques basée sur la discrimination des temps
d'arrivée et des amplitudes aux diverses stations de séismographie distribuées sur toute la surface de la Terre,
donnera des indications fort utiles en autant qu'on sache interprété les résultats obtenus.
         8.2.    Les Infrasons, les effets sur la santé publique
Dans les exemples précédents nous avons cité l’impact de certains ondes mécaniques situées dans le
domaine des infrasons. Ce domaine est en fait celui des vibrations, ondes mécaniques non-audibles de 0 à
20Hz. Il y a une vingtaine d’années certains chercheurs ont émis l’hypothèse que certaines des fréquences
d’ultrasons pouvaient avoir des impacts nocifs sur la santé. Cela peut se comprendre si on fait référence à
la figure 3 de l’introduction du cours qui donne les fréquences de résonance de différents systèmes du
corps humain. On peut remarquer que la plupart appartiennent au spectre des infrasons. Il est évident que
l’excitation de ces modes peut conduire à des effets nocifs pour l’intégrité du corps humain. Ce qui est le
plus à craindre est l’effet d’une exposition chronique, ce qui est le cas de la vie urbaine.

21 Discover, janvier 1994, p.36 (Robert Naeye)
22 voir cours de Physique moderne
23 L’échelle de Richter
24 The inner workings of the Earth, Michael Wysession, American Scientist, vol. 83, Mars-Avril 1995, p.134-146
25 Avec deux équations et trois inconnus, il est absolument nécessaire d’utiliser des modèles, celui qui permet de
retrouver les résultats mesurés simulera une vision saisissante de la structure terrestre.
                                             Armel Boutard, Uqam
                                                                                                           22
La Physique des sens : L’Onde mécanique

En effet, la plupart des activités anthropiques sont génératrices d’infrasons (vibrations). Un des effets
connus est celui du «mal blanc» de scieurs de bois. Les vibrations de la scie mécanique amènent une
atteinte à la circulation du sang dans les capillaires des mains.
Un autre effet connu des infrasons est celui du haut le cœur associé aux mouvements auxquels le corps est
soumis dans un manège ou en voiture sur une route avec beaucoup de virages. L’explication serait que le
système de nos organes et des tissus conjonctifs qui les rattachent au squelette ont des fréquences propres
qui vont de 6 à 13Hz. Cela est variable selon le poids, la grandeur et le tonus musculaire des individus.
Les ponts et autoroutes suspendus ou sur piliers, les gratte-ciel26, tous les systèmes de ventilation, de
climatisation et de chauffage installés sur les toits des bâtiments commerciaux émettent des infrasons. Les
cheminées industrielles tels des tuyaux d’orgue géants en émettent aussi. À cela nous pouvons ajouter les
vibrations des poids lourds, trains et métros. En fait, la vie urbaine moderne a vu se multiplier les sources
d’infrasons. Malheureusement aucune recherche sur les impacts de ces infrasons sur la santé publique
n’est en cours.
        8.3.    Les Ultrasons
Les ultrasons sont des fréquences supérieures à 20 000 Hz qui est la limite du champ auditif des humains.
                8.3.1. L'effet de cavitation27
Les ultrasons produisent des bulles de 1 à 10 m qui par implosion produisent des ondes de chocs P=1
000 at et 5000K. Cela serait une façon de faciliter les réactions chimiques. Ces microbules peuvent être
aussi utilisées dans le nettoyage des surfaces; mais attention à leur effet destructif.
                 8.3.2. L'inoculation sans incisions28
Robert Langler , chimiste au MIT a conçu le Sonicator, pulsar à ultrasons pouvant élargir les pores de la
peau ce qui permet de faire pénétrer une substance liquide sans incision. Les futuristes y voient une façon
d’y introduire les nanorobots médicaux dans le corps humain. (www.nanothinc.com)
Le but de ce projet est de mesurer en continu les valeurs des températures de l'Océan Pacifique, valeurs
importantes dans la prévision éventuelle des effets El Nino. En effet, la vitesse du son dans l'eau est
sensible aux variations de température.

9.      Une controverse sur le projet de recherche ATOC29
        (Acoustic Thermometry of Ocean Climate)
Deux sources de sons placées à des profondeurs de l’ordre de
900 m, haut-parleurs hauts de 2 m et de 1 m de large, l’une à
une trentaine de kilomètres au large de la côte de Californie, et
l’autre à une dizaine de kilomètres de l’île Kauaï (Hawaii),
émettraient des ondes sonores de 75 Hz à 195dB. Une série de
12 stations réceptrices déployées sur le pourtour du Pacifique
(figure 13) détecteraient le signal qui rendu à ce point serait
normalement perdu dans le bruit de fond de l’ordre de 100dB de
l’Océan. Pour l’isoler du bruit de fond, ce signal serait modulé,
répéter à un rythme de 42 fois dans un délai de 20mn.                     Figure 13: Position des sources et
Comme la vitesse du son dans l’eau varie entre autre avec la                 récepteurs du projet ATOC

26 Les recherches de deux étudiants en maîtrise des sciences physiques ont vérifié que le bâtiment des Sciences de
l’Uqam exhibait un maximum d ‘émission autour de 13Hz et que le pont Jacques Cartier émettait dans une bande
centrée autour de 8Hz, selon les travées.
27Québec Sciences, Philippe Chartier, p. 14
28 Québec Sciences, vol 35, n.8, mai 97, p.23
29 Discover, janvier 1995, p.75

                                             Armel Boutard, Uqam
                                                                                                                    23
La Physique des sens : L’Onde mécanique

température de l’eau, une variation de la température des eaux se traduirait par un déphasage entre les
divers chemins acoustiques. Un réchauffement moyen des océans dû à l’effet de serre serait lui aussi
détectable.
Le groupe MARMAM (marine mammal group on the Internet) s’est opposé à la réalisation de
l’expérience prétextant l’impact possible sur le système auditif et le comportement des mammifères
marins qui utilisent l’onde sonore pour leurs communications et comme écholocation. Les deux groupes
ont élaborés des stratégies de campagne de mesure qui permettent d'envisager la poursuite de l'expérience.

                                                       La Cinétose
Qu'est-ce qui cause le mal de coeur en voiture, en train ou en avion?
Le mal des transports, appelé cinétose ou naupathie, constitue l'ensemble des troubles ressentis par certaines
personnes lors d'un voyage en voiture, en train, en bateau ou en avion. Il provoque étourdissements, malaises ou
vertiges, accompagnés parfois de nausées et de vomissements.
La cinétose est due à la stimulation inhabituelle de l'appareil vestibulaire, centre de l'équilibre situé dans l'oreille
interne. L'appareil vestibulaire est constitué du vestibule auquel sont rattachés des canaux semi-circulaires. En temps
normal, le vestibule renseigne l'individu sur sa position dans l'espace et les mouvements qu'il y effectue. Il est
sensible aux changements de direction et aux accélérations linéaires. Les déplacements chaotiques le stimulent trop
intensément et il transmet alors des informations contradictoires au cerveau. Ce qui aboutit à des troubles de
l'équilibre et aux manifestations qui lui sont associées.
Mais l'appareil vestibulaire n'explique pas la totalité du mal des transports. La cinétose peut être due à l'incapacité du
cerveau à intégrer les informations contradictoires qui proviennent des différents organes assurant aussi l'équilibre.
Lorsque les renseignements fournies par les sens sont en contradiction avec celles rapportées par l'oreille interne, il y
a un malaise ! Voilà pourquoi quand on lit en voiture, on peut avoir envie de vomir. Notre appareil vestibulaire
perçoit les changements de direction et les accélérations tandis que nos yeux ne les voient pas.
D'autres facteurs, tels les odeurs, la chaleur, le confinement, favorisent et intensifient les symptômes de la
cinétose. Article «Le Monde», 16-03-2004

Demeter écoutera gronder la Terre
LE MONDE | 06.07.04 | Un satellite pour détecter les émissions électromagnétiques des séismes
Les tremblements de terre peuvent être terriblement meurtriers et destructeurs. Lorsqu'ils se déchaînent, ils génèrent à
travers le globe différents types d'ondes sismiques. Mais il semble qu'ils émettent aussi des ondes électromagnétiques
qui se propagent dans l'atmosphère terrestre et perturbent l'ionosphère, située entre 100 et 1 000 km d'altitude. Ce
phénomène a été constaté à de nombreuses reprises au sol et par des engins spatiaux, sans qu'on sache expliquer son
origine.
Pour mieux le cerner, et observer également les émissions électromagnétiques causées par les éruptions volcaniques
et les raz de marée (tsunamis), la communauté scientifique française et le CNES ont conçu le microsatellite Demeter
(detection of electromagnetic emissions transmitted from earthquake regions). L'étude spatiale des émissions causées
par les séismes sera complétée par des observations au sol, avec notamment un laboratoire européen situé dans la
région de Corinthe, en Grèce.
Le petit satellite, d'un poids de 125 kg, a été lancé avec succès, en même temps que sept autres petits engins, le 29
juin à 8 h 30 depuis la base de Baïkonour (Kazakhstan) par une fusée russo-ukrainienne Dnepr-LV. Cette dernière,
connue pendant la guerre froide sous le nom de code de "Satan", est un ancien missile balistique intercontinental SS-
18 reconverti dans le civil. Il a déjà effectué trois lancements commerciaux depuis 1999, et mis sur orbite 12
satellites. Désormais, Demeter décrit sur une orbite polaire à 710 km d'altitude sur laquelle il restera un an. "Il faudra
attendre le 9 juillet pour savoir si tous les instruments à bord fonctionnent bien et si les bras du satellite, porteurs de
capteurs magnétiques et électriques, se sont correctement déployés", précise Michel Parrot, responsable scientifique
de la mission Demeter et géophysicien "externe" au laboratoire de physique et chimie de l'environnement du CNRS, à
Orléans. Si tout est conforme, Demeter, qui a coûté 17 millions d'euros et qui est le premier exemplaire de la filière
de microsatellites Myriade du CNES, pourra commencer sa mission.
DES MESURES EN PERMANENCE
Les phénomènes électromagnétiques liés aux séismes sont connus depuis longtemps. Le sismologue britannique John
Milne, qui a conçu dans les années 1870 le premier sismographe de l'histoire, faisait déjà état, en 1890, de
phénomènes électriques et magnétiques observés par des témoins lors de séismes qui ont frappé le Japon.

                                                Armel Boutard, Uqam
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La Physique des sens : L’Onde mécanique

Des émissions anormales d'ondes électromagnétiques ont ensuite été relevées par des satellites, dans les années 1970-
1980. Ainsi, en 1982, les deux antennes magnétiques du satellite franco-soviétique Aureol-3 ont détecté un signal à
800 hertz avant et pendant un séisme de magnitude 5,4 survenu au large des îles Fidji, alors que le satellite survolait
la région. "On constate, dans cet exemple et dans d'autres, la présence d'une source électromagnétique puissante
associée à la déformation du sol", explique Pascal Bernard, à l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP).
De nombreux travaux ont été entrepris pour tenter de comprendre l'origine de ces signaux, qui pourraient être dus aux
variations de contrainte dans le sol précédant le déclenchement d'un séisme. Mais les processus physiques mis en
cause ne sont pas actuellement élucidés, bien que deux pistes, l'une concernant la présence d'eau dans la roche et
l'autre la piézo-électricité et la triboélectricité, soient souvent mises en avant.
Lors de sa mission, Demeter survolera plusieurs centaines de séismes de magnitude supérieure à 5 jusqu'à cinq heures
avant qu'ils ne se manifestent. Comme les instruments du satellite fonctionnent en continu, ils devraient permettre
d'établir des liens statistiques entre les perturbations enregistrées dans l'ionosphère et l'activité sismique au sol.
"Nous ne trouverons peut-être pas de corrélation suffisamment marquée pour que la technologie présente un intérêt",
précise Pascale Ultré-Guérard, responsable du programme géophysique interne et géodésie du Cnes. "Néanmoins, le
doute sera levé, et nous saurons alors à quoi nous en tenir." Pour Philippe Lognonné, géophysicien à l'IPGP,
"Demeter est une mission séduisante et très risquée. Mais si on trouve réellement quelque chose, le retour
d'expérience aura des retombées énormes d'un point de vue scientifique et sociétal".
Triboélectricité : charges produites par des frottements
Piezoélectricité : charges produites par des tensions ou contraintes mécaniques




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