Bien évidemment, les sons et les lumières nous sont accessibles et nous ne nous étonnons jamais de cette réalité tant elle est présente. A l'école, en Belgique, on apprend très tôt les organes permettant de recevoir les sons (les oreilles) et de percevoir la lumière (les yeux). Cependant, nous ne nous demandons pas toujours comment ces organes y ont-ils accès ! Eh oui, comme bien souvent, en tant qu'adultes, nous oublions de nous poser des questions concernant ce qu'il y a de plus fondamental autour de nous et même sur nous… Pourtant, ce sont des questions auxquelles bien peu d'adultes savent donner une réponse ne serait-ce que correcte un minimum. Attelons-y-nous !
Comment définir les ondes, tout d'abord ?
Bien souvent, quand on parle d'ondes, les images nous venant de suite en tête sont les ondes du micro-ondes pour cuisiner, les ondes du téléphone portable ou encore les ondes de la radio… Mais savez-vous que, tout simplement, chaque son que nous entendons et chaque vision que nous percevons sont nécessairement des ondes ? Les sons perçus sont des ondes, tandis que les lumières sont également des ondes, mais d'une nature différente.
Les ondes, plus globalement, sont la propagation de perturbations sans transport de matière. En effet, aucune matière n'est transportée en même temps que les ondes. Heureusement pour nous ! Toutes les ondes ont ce qu'on appelle des fréquences, très importantes. En physique, on distingue plusieurs types d'ondes, mais deux grandes catégories prédominent : les ondes mécaniques et les ondes électromagnétiques. Les ondes mécaniques nécessitent de traverser un support matériel pour être transmises.
Les ondes sonores, par exemple, sont des ondes mécaniques étant donné qu'elles nécessitent un milieu (l'air, l'eau…) pour se propager. Mais les ondes électromagnétiques n'en nécessitent pas. Les ondes électromagnétiques se déplacent dans le vide, elles n'ont pas besoin de matière. La lumière est une onde électromagnétique.
Exemples d'ondes électromagnétiques naturelles
Les rayons UV, autrement appelés les rayonnements ultraviolets, font partie des ondes électromagnétiques naturelles, de même que ce que l'on appelle la lumière visible (par l'œil humain, donc). Il y a aussi les rayons cosmiques, à savoir les innombrables particules du monde interstellaire.
Exemples d'ondes électromagnétiques non naturelles (artificiellement créées par l'humain)
Il en existe des quantités et des quantités, aujourd'hui. Ainsi, nommons par exemple : les appareils électroménagers (tous !), les émetteurs Wifi, les radios, les téléphones portables, les radars, les IRM, les câbles électriques…
Les ondes électromagnétiques
On peut classifier les ondes électromagnétiques selon un grand nombre de catégories. Vous verrez d'ailleurs que vous en connaissez déjà un certain nombre, en réalité ! Les ondes électromagnétiques ne se déplacent pas, elles se propagent plus exactement. Elles se propagent sous la forme de petites oscillations, terme de physique pour parler en fait de sortes de petites vagues, que l'on reproduit souvent d'ailleurs.
Au sein d'une seconde, le nombre d'oscillation de l'onde électromagnétique en question correspond à la fréquence de l'onde. Ainsi, les différentes ondes électromagnétiques ne disposent pas du tout de la même fréquence ! Votre micro-ondes, votre téléphone portable, une radiographie et une radio ne comportent pas les mêmes fréquences.
Les différentes fréquences sont représentées sur ce que l'on appelle le spectre électromagnétique. Les fréquences les plus basses correspondent aux odes radio, justement ! La fréquence des ondes électromagnétiques est exprimée en hertz (Hz). On estime internationalement qu'1 hertz correspond à un cycle par seconde. La fréquence est ainsi la répétition d'une "action", autrement dit d'une "vague".
Hautes fréquences et basses fréquences : le spectre électromagnétique
En partant des basses fréquences, on retrouve donc les ondes radios, entre environ 10kHz et 300Ghz. Pour exemple, il faut savoir que 100GHz correspondent à 100 milliards d'oscillations par seconde ! Les ondes électromagnétiques se déplacent à la vitesse de la lumière, et donc autrement dit, à... 300 000 kilomètres par seconde !
Toutes les ondes électromagnétiques ne se déplacent pas à la même distance malgré le fait qu'elles se déplacent à la même vitesse. Pourquoi ? Parce qu'elles sont ici inégales à ce niveau : les ondes à basse fréquence se propagent plus loin, beaucoup plus loin même. Puis l'environnement joue également un rôle dans la distance parcourue par les ondes.
Au-dessus des basses ondes, on trouve progressivement, sur le spectre électromagnétique, dans l'ordre de fréquence :
- les micro-ondes
- les (images) infrarouges
- les lumières visibles à œil humain (la couleur)
- les rayons UV (ultraviolets)
- les rayons X, desquels on se sert pour les radios notamment
- les rayons gamma, qui sont des ondes suivant d'importantes explosions telles que les explosions des bombes nucléaires (une partie de l'énergie dégagée l'est sous forme d'ondes électromagnétiques, les rayons gamma donc)
Pourquoi le son des radios n'est-il pas accessible à nos oreilles de manière naturelle ?
C'est l'être humain qui a su capter les ondes radios pour pouvoir les percevoir, car naturellement, elles sont bien entendu dans la nature, mais l'oreille humaine ne peut la percevoir toute seule. Nous avons besoin de récepteurs, d'antennes radios comme nous les appelons aujourd'hui, pour pouvoir transformer ces sons. Ces sons sont des sons électromagnétiques et non pas sonores étant donné qu'ils ne se déplacent pas avec l'aide de matières. La thermodynamique devrait également vous intéresser, si la physique est votre passion !
Il faut savoir que la radio AM dispose d'une portée beaucoup plus grande : nous parlons ici de centaines de kilomètres en effet. La radio FM, la plus utilisée de nos jours, a une portée de seulement quelques dizaines de kilomètres étant donné que les fréquences de sont beaucoup plus hautes. La radio AM est beaucoup plus adaptée à la voix tandis que la radio FM l'est plutôt pour la musique. La transmission en AM est en mono uniquement, tandis que la transmission en FM est en stéréo.
Puisque les sons d'une radio sont en réalité des sons imperceptibles par l'oreille humaine, on a inventé des antennes radio réceptrices pour retranscrire ces ondes. A l'inverse, pour diffuser une voix ou une musique à la radio, on fait le chemin inverse : on va diffuser une onde et, pour faire ceci, on transforme la voix ou le son en signal électrique, de manière à ce que la voix et les ondes électromagnétiques en question disposent de la même fréquence. C'est l'antenne réceptrice qui transporte alors la voix, avec des "ondes porteuses".
Savez-vous pourquoi toutes les chaînes radio sont situées à des nombres tels que "88/90/107" ? Beaucoup l'ignorent. Et portant, c'est simple : il s'agit de la fréquence en mégahertz des chaînes de radio. Elles sont autour de 90-95 MHz en effet !
Que sont les ondes sonores plus en détail ?
On sait à peu près de quoi il s'agit, mais on ne s'en interroge jamais assez. Les ondes sonores sont donc des ondes mécaniques, comme nous l'avons dit plus haut. Elles se propagent systématiquement dans un milieu, que ce soit l'air, l'eau ou autre. Les ondes sonores sont en réalité des vibrations de l'air, ou des vibrations de tout autre milieu (l'eau par exemple). Ce milieu, aussi appelé fluide, est nécessairement matériel. Dans de tels cas, le déplacement dans le milieu se fait systématiquement de manière périodique, en créant une vibration dans le milieu et en créant donc une onde qui se propage.
Comment une onde sonore se propage-t-elle exactement ?
L'onde sonore, quelle qu'elle soit, se propage uniquement par le biais de particules de matière du milieu dans lequel elle se trouve (particules d'air, particules d'eau…). Lorsque l'onde se produit, les particules de matière interagissent entre elles. Les ondes sonores se propagent aussi bien dans les liquides que dans les solides et les gaz ou encore les plasmas. Mais elles ne se propagent pas dans le vide, voilà pourquoi il s'agit d'ondes mécaniques, et non pas d'ondes électromagnétiques.
Le son se propage à travers les éléments également, tels qu'une porte, une fenêtre, un rocher ou encore un métal… C'est pour cela que l'on peut entendre du son même lorsqu'un obstacle se trouve entre nous et l'emplacement de l'origine du son. L'élément en question vibre lui-même de sa structure pour parvenir à transmettre l'onde sonore. Ici aussi, plusieurs fréquences existent, cependant nous n'en notons ici que trois.
La première fréquence concerne les infrasons (en dessous de 20Hertz), l'oreille humaine ne les entend pas (contrairement à l'oreille de l'éléphant ou encore de la taupe). Entre 20H et 20kH, on entend les sons audibles de la vie de tous les jours, ce qui représente d'ailleurs une grande variété de sons. Puis la troisième catégorie représente les ultrasons, que les dauphins et les chauves-souris utilisent notamment. Nous nous servons également des ultrasons en médecine pour réaliser les échographies.
L'intensité d'un son
Plus un son est intense et plus il donne d'énergie au récepteur, mais également, plus le récepteur dispose d'une surface large et plus il y a d'énergie reçue. Tout cour de physique bien construit ferait alors le liens avec notre oreille, qui peut oreille peut percevoir des tas de degrés d'intensités différentes : chuchotements, conversations au ton normal, conversations en lieu public avec plusieurs personnes aux intensités de sons différentes, orchestre, boîte de nuit, avion…
Les différentes atténuations sonores existantes
En physique, on retrouve deux types d'atténuations sonores possibles. La première est tout d'abord l'atténuation géométrique : en effet, plus on est proche du son, et plus il est fort pour notre oreille, et inversement. L'intensité dépend de notre distance. Egalement, il existe l'atténuation par absorption, en plaçant quelque chose entre le son et notre oreille pour entendre avec moins d'intensité.
Les ondes électromagnétiques : percevoir la lumière
Le spectre électromagnétique comporte également la lumière visible, perceptible par l'œil humain donc. Au-delà de la fréquence 300GHz, vers 10 puissance 14 Hz plus exactement, plus exactement, se trouve la lumière visible. Et avec elle, donc, toutes les gammes de couleurs que l'on connaît. La lumière est en réalité l'alliage de deux ondes : une onde électrique et une onde magnétique, comme toutes les ondes électromagnétiques.
La lumière se propage dans l'espace et dans le temps, via des particules chargées en mouvement. Elles se propagent dans le vide. Les ondes électromagnétiques se propageant à la vitesse de la lumière, encore une fois, cela signifie qu'elles se propagent à 300 000 km/seconde. Rappelons qu'il s'agit ici de la catégorie des ondes électromagnétiques naturelles !
De quoi se compose la lumière ? La lumière est en fait un agrégat de corpuscules d'énergie, appelés les photons. Si notre œil a la faculté de percevoir plusieurs couleurs et non une seule et unique, c'est parce que cela dépend de la longueur d'onde de chaque couleur. Chaque couleur dispose d'une longueur d'onde propre, ce qui signifie des radiations se trouvant dans le spectre électromagnétique.
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