Le son est un phénomène ondulatoire, qui correspond à une perturbation qui se propage dans un milieu, audible par l’homme (comme par les animaux). Ce phénomène n’est pas direct et cette propagation prend un certain temps : le son possède une vitesse, également appelée célérité. Vous avez probablement déjà constaté un décalage entre un phénomène observé avec le son associé, qui vous parvient un peu plus tard, par exemple avec le tonnerre ou les feux d’artifices.
Le principe des ondes sonores
Commençons par évoquer la nature même du son : celui-ci est donc un phénomène ondulatoire. Il correspond à la propagation d’une perturbation, qui va contracter ou dilater les particules dans un milieu donné (l’air, l’eau…). C’est une vibration qui se propage de molécule en molécule, de façon similaire au mouvement d’un ressort : la zone touchée par la vibration se comprime puis se détend et transmet le mouvement à la zone voisine. Contrairement aux ondes que l’on observe en jetant une pierre dans l’eau par exemple, qui se propagent dans toutes les directions, les ondes sonores sont dites longitudinales : elles se déplacent dans le même sens que le mouvement à son origine.
La propagation d’une onde sonore ne peut avoir lieu que dans une matière, que celle-ci soit liquide, solide ou gazeuse : ainsi, le son ne peut pas se propager dans le vide. C’est pourquoi il est impossible d’entendre quoi que ce soit dans l’espace.
La vitesse du son dépend de plusieurs facteurs
Le son est le résultat de la propagation d’une onde, et n’est donc pas immédiat ; il possède une vitesse qui correspond au déplacement de l’onde qui s’exerce sur le milieu dans lequel il se trouve. D’ailleurs, comme les caractéristiques d’un milieu peuvent fortement varier, la vitesse du son aussi. On peut constater la différence entre la vitesse du son dans l’air et dans un solide : on perçoit par exemple plus aisément le son d’un train qui se déplace à quelques kilomètres en collant son oreille au rail. Le son se déplace également plus rapidement dans un liquide que dans l’air : il peut par exemple atteindre 1500 mètres par seconde dans l’eau.
De plus, la vitesse du son dépend principalement de deux facteurs : la température du milieu, et la pression (dont l’influence est beaucoup moins importante dans l’air). Plus la température est élevée, plus la vitesse du son sera importante. Dans l’air, à 15°C et au niveau de la mer, le son se déplace ainsi à environ 340 mètres par seconde, soit 1224 kilomètres par heure. C’est la valeur qui est généralement retenue en conditions « normales » dans l’air.
L’histoire de la mesure de la vitesse du son
Phénomène perçu depuis l’Antiquité, la vitesse du son a longtemps fait l’objet d’expériences et d’études, et beaucoup de chercheurs ont tenté d’en mesurer la vitesse exacte. L’une des premières valeurs mesurées date de 1635, avec une expérience de Mersenne qui postule que la vitesse du son dans l’air est de 448 mètres par seconde. Durant près de deux siècles, les études des autres chercheurs comme Halley, Boyle ou Huygens donnent des résultats similaires. Par la suite, Galilée et Newton sont les premiers à définir le son comme une succession de compressions et de détentes de l’air, et Newton donne une formule théorique pour mesurer sa vitesse, qui sera retenue jusqu’à ce que Laplace montre en 1816 que la vitesse du son dépend aussi de la température et de la pression. En 1822, Arago et Prony réalisent une expérience avec le son de coups de canons et prennent en compte les leçons tirées par Laplace : ils en concluent une vitesse de 341 mètres par seconde à 15,9°C.
Dépasser la vitesse du son
Est-il possible de se déplacer plus vite que le son ? Oui, et ce phénomène est appelé le mur du son. Dans l’aviation, on donne même un nom au rapport entre la vitesse de l’avion et celle du son : Mach. Ainsi, lorsqu’un avion dépasse 1224 km/h, on dit qu’il atteint Mach 1. Ce franchissement du mur du son est connu pour déclencher une onde de choc sous forme de déflagration supersonique, qui perdure tant que l’engin se déplace à une vitesse supérieure ou égale à Mach 1. Ceci est dû à une soudaine montée de pression de l’air à l’endroit où la vitesse du son est franchie. C’est en 1947 que le mur du son fut franchi pour la première fois, par le pilote américain Charles Elwood Yeager.