Questions sur le son et la matière.

[shisha]

Bonjour tout le monde

Je me suis demandé si le son traversait la matière.

J'ai donc fait une petite expérience :

J'ai mis un réveil dans une boîte en plastique. J'ai fermé cette boite avec son propre couvercle.
Puis j'ai entendu le réveil sonné, pas aussi fort que s'il n'était pas dans le couvercle mais tout même bien perceptible (pour les non-sourd).

Je me suis demandé alors : mais comment cela se peut-il ?

Puis j'ai lu sur wiki :
- "Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations des atomes appelées phonons. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre."
- "Une onde transporte de l'énergie sans transporter de matière."

J'ai du mal à me représenter/cerner comment une énergie peut traverser de la matière. (son, neutrinos et autres).

Est-ce que ce sont les 99% de "vide" d'un atome qui permettent cette traversé d'énergie ? Est-ce les noyaux et/ou électrons du couvercle qui freinent la traversée de l’énergie (et donc le volume du son?)?

Est-ce que l'odeur peut également traverser de la matière ? (je dis cela, car de ma chambre porte fermé au premier étage, j'arrive à sentir les plats qui se trouvent en bas puis 20 mètres plus loin, mais là on peut supposer également que l'odeur passe par le petit espace d'en dessous de la porte puis arrive jusqu'à mes narines, un sacré parcours ^^).

Merci
-----

[LPFR]

Bonjour.
Le son correspond à des oscillations longitudinales (dans le sens de la propagation) des couches d'air qui produisent des oscillations de la pression autour de la pression atmosphérique.
Le son se transmet partiellement de l'air aux parois de votre boite, la traverse, et la paroi transmet partiellement le son à l'air qui l'entoure.
Puis l'air transmet partiellement les vibrations à votre tympan et ainsi de suite jusqu'à votre cochlée.

Les atomes ne sont pas 99% de vide. Ils sont pleins à craquer d'électrons qui les remplissent et qui sont autour du noyau. Ce ne sont pas des petites billes qui tournent autour du noyau. Ce sont une espèce de "nuage" qui remplit tout le volume de l'atome.

Des molécules de gaz peuvent très difficilement traverser la matière. Mais en nombre très restreint. Donc on peut dire que non, l'odeur ne traverse pas la matière et que les odeurs que vous sentez sont bien arrivées chez vous par les interstices.
Au revoir.

[shisha]

Merci de ta réponse LPFR

Le son se transmet partiellement de l'air aux parois de votre boite, la traverse, et la paroi transmet partiellement le son à l'air qui l'entoure.
Puis l'air transmet partiellement les vibrations à votre tympan et ainsi de suite jusqu'à votre cochlée.

Les atomes ne sont pas 99% de vide. Ils sont pleins à craquer d'électrons qui les remplissent et qui sont autour du noyau. Ce ne sont pas des petites billes qui tournent autour du noyau. Ce sont une espèce de "nuage" qui remplit tout le volume de l'atome.

Comment le son traverse t'il la parois de la boîte ?
Qu'est ce qui dans la paroi, freine/diminue la transmission du son ? Est-ce que ce sont les électrons ? les noyaux ? les deux ?
Vous dites que les électrons forment une espèce de nuage qui remplit tout le volume de l'atome. Or les électrons sont en mouvement. Les électrons se déplacent d'en quoi ? (une sorte de vide non ? car n'y a t il pas une distance qui sépare les électrons entre eux ou les électrons du noyau ?).

[invite45f8e17a]

Salut Shisha,
tout d'abord, excellente démarche que de tenter de résoudre une telle interrogation par l'expérience. Cependant, il est parfois difficile d'interpréter les résultats.

En fait, le son ne se propage pas que dans l'air(*), pour information il se propage bien mieux dans l'eau. Ce qui s'est passé durant ton expérience est relativement simple: le son de la sonnerie à engendré une vibration de l'air de la boite (en fait, une onde de pression se déplaçant de proche en proche et effectivement c'est l'onde qui se propage pas la matière), qui ensuite s'est transmise aux parois, elles se sont mises aussi à vibrer, puis ont communiqué cette vibration à l'air extérieur à la boite. Notons que le son est une onde mécanique, il lui faut un support matériel pour se propager (air, eau, métal, bois etc...).

(*)Tu connais sans doute l'expérience des deux pots de yaourts reliés par un simple fil, la vibration du fil transmet le son d'un pot à l'autre. Le téléphone avant l'heure en somme .

[A voir en vidéo sur Futura]

[albanxiii]

Bonjour,

J'ai donc fait une petite expérience :

J'ai mis un réveil dans une boîte en plastique. J'ai fermé cette boite avec son propre couvercle.
Puis j'ai entendu le réveil sonné, pas aussi fort que s'il n'était pas dans le couvercle mais tout même bien perceptible (pour les non-sourd).

Je suis sur que vous aviez déjà fait des expériences de la même nature auparavant.... Par exemple, mettre votre oreillle sur une porte pour entendre ce qui se passe de l'autre côté. Ou plus simplement, râlé contre ces *ù@£ù%! de voisins qui font du bruit à minuit et qui vous empêchent de dormir... Dans les deux cas, le son a traversé des solides pour parvenir jusqu'à vos oreilles.

Cela dit, comme dit Tofix, c'est toujours bien de tenter de faire une expérience où on contrôle toutes les variables. Vous avez eu une démarche scientifique.

[phuphus]

Bonjour Shisha,

Qu'est ce qui dans la paroi, freine/diminue la transmission du son ?

Il y a plusieurs phénomènes qui entrent en jeu.

Tout d'abord, la désadaptation d'impédance. Une paroi en plastique est lourde par rapport à l'air, et les ondes de pression provenant de ton réveil vont avoir du mal à faire bouger cette paroi. On va donc gaspiller pas mal d'énergie à déjà faire avancer la paroi, puis l'alternance suivante à la freiner pour la faire repartir en arrière, pour la refreiner pour la faire re-repartir vers l'avant, etc. . Donc déjà, faire vibrer une paroi en plastique à partir d'une onde de pression aérienne se fait avec perte d'énergie.

Ensuite, la même chose se passe lorsque la paroi va devoir transmettre ses vibrations à l'air de ta pièce : l'air étant très léger, la paroi se voit opposer une résistance très faible et ne peut transmettre que peu de l'énergie vibratoire qu'elle a emmagasinée.

Enfin, il existe au sein de la matière, surtout du plastique, une espèce de "frottement interne" qui va transformer les vibrations en chaleur. Tous les mécanismes de dissipation des vibrations en chaleur au sein d'un solide sont regroupés sous le terme d'amortissement, et peuvent être nombreux. Les plastiques, matières dites visco-élastique, présentent en général un amortissement non négligeable. C'est notamment ce qui fait la différence entre le "poc" que tu entends lorsque tu tapes sur une plaque en plastique et le "tiiiiiiiiiing" d'une plaque similaire en aluminium.

En mettant ton réveil dans la boîte en plastique, tu as chauffé acoustiquement ta boîte. Mais vues les énergies mises en jeu, cet échauffement est infinitésimal.

Tu parles de noyaux et d'électrons, en matière de son il faut considérer plutôt les atomes ou les molécules dans leur ensemble ainsi que les forces qui lient ces atomes / molécules entre eux.

Quant aux phonons, ils n'ont rien à voir dans cette histoire : les phonons sont des modes propres quantifiés de vibration au sein d'un réseau cristallin. Dans le cas de ta boîte en plastique, par exemple, tu n'as pas affaire à une matière cristalline (seuls certains plastiques ne sont que partiellement cristallins).

[shisha]

Merci à vous 3 trois pour vos réponses

Donc déjà, faire vibrer une paroi en plastique à partir d'une onde de pression aérienne se fait avec perte d'énergie.

Tu parles de noyaux et d'électrons, en matière de son il faut considérer plutôt les atomes ou les molécules dans leur ensemble ainsi que les forces qui lient ces atomes / molécules entre eux.

Vous m'avez expliqué ce qui a provoqué le vibration ainsi que le perte d'énergie puis la transmission. Cependant j'ai encore du mal à me représenter mentalement la traversée de l’énergie/la vibration. J'ai tapé vibration sur wiki et je n'a pas trop compris leurs termes employés.

On dit que la parois vibre, on peut donc dire alors que c'est l'ensemble des atomes qui vibrent (n'est pas ?). Si on observait plusieurs atomes/molécules entrain de vibrer, qu'est-ce qu'on observerait de différents par rapport à des atomes qui ne vibrent pas ?

[invite1c0eeca8]

la même différence qui existe quand tu fais vibrer ta main et quand elle reste immobile.
Dans un milieu matériel et élastique les atomes font vibrer leurs voisins avant de revenir au repos

[shisha]

la même différence qui existe quand tu fais vibrer ta main et quand elle reste immobile.
Dans un milieu matériel et élastique les atomes font vibrer leurs voisins avant de revenir au repos

Et un atome qui vibre, qui fait vibrer son voisin, cela se traduit par quoi concrètement? par des mouvements des atomes? par des électrons qui changent d'orbites ? autres choses ?

[invite2b524dc2]

Bonjour Shisha,

C'est notamment ce qui fait la différence entre le "poc" que tu entends lorsque tu tapes sur une plaque en plastique et le "tiiiiiiiiiing" d'une plaque similaire en aluminium.

Bonjour,
Ce ne serait pas une question de fréquence vibratoire propre au matériau ? Pour une fréquence propre donnée il survient ensuite un amortissement ?

[Gilgamesh]

Et un atome qui vibre, qui fait vibrer son voisin, cela se traduit par quoi concrètement? par des mouvements des atomes? par des électrons qui changent d'orbites ? autres choses ?

Concrètement c'est le centre de masse de l'atome, donc essentiellement le noyau, qui oscille autours d'une position moyennes.

Dans les milieux dense où les atomes sont en contacts (solide, liquide) la propagation du son dépend du couplage élastique des atomes entre eux. Il faut imaginer les atome liés entre eux comme par des ressort de raideur plus ou moins grande, et ceci dépend de la force des liaisons chimiques qui les relient. Le cortège électronique responsable de cette liaison a donc également un rôle essentiel dans la propagation de l'onde sonore au sein du matériau.

a+

[triall]

Bonsoir à tous, oui, il me semble que ce genre de question est essentielle ; et plus on demande des "comment -pourquoi", moins on aura de réponses claires.
je crois que c'est de Broglie qui a dit "Quand on touche, on ne touche pas",mais je n'arrive pas à retrouver cette phrase . Il serait intéressant de savoir ce qu'il se passe vraiment quand on frappe un objet solide avec un doigt , par exemple , et comment se transmet, se propage cette information, il est "clair" comme l'indique Gilgamesh que c'est une question de "cortège électronique" , moi, je pencherais aussi sur une solution du genre quantité de mouvement , avec des particules projetées à un certaine vitesse sur une cible , de proche en proche... On peut aussi imaginer des objets (atomes)qui sont reliés entre eux par des ressorts, mais, comment sont faits ces ressorts, c'est la question posée ici !!
Bonne soirée.

[Gilgamesh]

Bonsoir à tous, oui, il me semble que ce genre de question est essentielle ; et plus on demande des "comment -pourquoi", moins on aura de réponses claires.
je crois que c'est de Broglie qui a dit "Quand on touche, on ne touche pas",mais je n'arrive pas à retrouver cette phrase . Il serait intéressant de savoir ce qu'il se passe vraiment quand on frappe un objet solide avec un doigt , par exemple , et comment se transmet, se propage cette information, il est "clair" comme l'indique Gilgamesh que c'est une question de "cortège électronique" , moi, je pencherais aussi sur une solution du genre quantité de mouvement , avec des particules projetées à un certaine vitesse sur une cible , de proche en proche... On peut aussi imaginer des objets (atomes)qui sont reliés entre eux par des ressorts, mais, comment sont faits ces ressorts, c'est la question posée ici !!

La réponse est claire, si, c'est simplement qu'il y a des niveaux d'explications emboîtés. Modéliser les atomes dans un solide comme un ensemble de sphères reliées par des ressort ou comme des balles rebondissantes dans le cas d'un gaz est un premier niveau "classique", qui donne une compréhension correcte à peu de frais et qui permet même de faire des calculs approfondis. Il faut se représenter le potentiel de liaison (la "réponse du ressort en fonction de l'éloignement") avec ce type de courbe :



La profondeur du puits donne l'énergie kT qu'il faut pour rompre la liaison (T la température, k la cte de Boltzmann), r0 représente la distance interatomique, pour laquel le potentiel est minimal. r1 l'état à l'équilibre quand on apporte de l'énergie à la liaison (on "sort du puits" légèrement et comme la courbe est dyssymétrique çela se traduit par un éloignement des deux atomes (le matériau se dilate).


Modéliser ensuite cette courbe de potentiel "ab initio" à l'aide de la mécanique quantique est nettement plus ardu c'est certain, mais ça ne constitue pas réellement un mystère pour autant.

a+

[triall]

OK, merci@Gilgamesh pour la courbe , et l'effort, je serai totalement convaincu si l'on me sort même avec un modèle simple de ressort la vitesse du son dans tel ou tel solide..

Mon expérience en physique est assez faible, mais ce dont je me souviendrai toujours c'est de la poussée d'Archimède .
La force est égale au poids du volume d'eau déplacé . Ceci est complètement vrai, mais n'explique pas l'origine de la force qui est comme chacun le sait la différence entre la force exercée sur le haut d'un cylindre immergé et le bas de ce cylindre, sinon pour un objet quelconque c'est la somme de toutes les forces qui agissent sur cet objet , qui "miraculeusement" correspond (la somme) au poids du volume déplacé !

On arrive ainsi à comprendre cette force, ce qui est "mieux" que de savoir "seulement" la calculer (ce n'est pas si mal déjà) .
La mécanique quantique permet, dirait-on, de calculer beaucoup de choses,(avec beaucoup de sueur apparemment) mais n'explique pas les interactions comme celles entre 2 électrons, ou un proton et un électron (en tout cas, perso, je n'ai pas compris excepté qu'ils échangent des photons virtuels , ce qui pourrait expliquer la répulsion, mais pas l'attraction , puis j'ai déjà du mal à comprendre ce qu'est un photon, alors un photon virtuel ??) .
Bonne journée .

[phuphus]

Bonjour à tous,

@ triall : pour Archimède, tenir compte d'un fluide possédant une masse volumique non nulle dans un champ de gravité ne permet-il pas d'avoir une explication satisfaisante et presque immédiate ? Ou bien j'ai loupé quelque chose ?

Quant à la démonstration de la vitesse de propagation d'une onde mécanique longitudinale dans un solide, il me semble aussi qu'aller chercher des phonons pour cela est superfétatoire, et que le simple modèle masse / ressort, ramené à du macroscopique, conduit assez simplement à la formule racine(E/rho), non ? Avec E module de Young (c'est donc le ressort...) et rho masse volumique (c'est donc la masse...).

[invitef17c7c8d]

Il est vrai que c'est plutôt intriguant de pouvoir entendre une conversation à travers un mur.

Cette "robustesse" du son en terme d'intelligibilité m'a toujours surpris.
Je l'admet comme un fait expérimental, sans jamais l'avoir complètement saisi.

[triall]

Bonne nuit à tous, je ne comprends pas cette phrase de Phuphus

pour Archimède, tenir compte d'un fluide possédant une masse volumique non nulle dans un champ de gravité ne permet-il pas d'avoir une explication satisfaisante et presque immédiate ? Ou bien j'ai loupé quelque chose ?

Non, je ne comprends pas , cette faculté d'avoir une masse volumique dans un champ de gravité n'explique pas , il me semble, la poussée d 'Archimède , il faut parler de différence de pression (gradient de pression )suivant l'altitude; dans un fluide, non ? Cela peut s'expliquer avec des "balles rebondissantes" en première "noce" ou "approche" plutôt ;dans un champ de gravité !!... Cela revient à résoudre le pb, pourquoi plus de pression avec l'altitude ?
Je voulais faire remarquer avec cet exemple sur la poussée d'Archimède, que le fait de savoir calculer exactement le phénomène , ne préjugeait pas du fait d'expliquer ce phénomène !!
Quant à la célérité du son , je ne connais pas cette formule, ni le module de Young : rac (E/rho) bravo donc, je vous fais confiance , je suis alors presque convaincu ... Comment sort-on la vitesse du son dans le fer avec cette équation ..??
Bonne nuit ..

[invite686ac3e5]

les couched'air vivre, et trasmette la vivration a la boite, qui se met a viber (ne pas oublier qu'un solide est compréssible) La boite vivre, et transmet ses vibration a l'air exterieur, qui vivre et arrive sur vos tympan.
Il y a une notion d'adaptation d'impedance derriere, qui fait que vous entendez moins bien que si il avait pas de couvercle.
cordialement,

[phuphus]

Je voulais faire remarquer avec cet exemple sur la poussée d'Archimède, que le fait de savoir calculer exactement le phénomène , ne préjugeait pas du fait d'expliquer ce phénomène !!
Quant à la célérité du son , je ne connais pas cette formule, ni le module de Young : rac (E/rho) bravo donc, je vous fais confiance , je suis alors presque convaincu ... Comment sort-on la vitesse du son dans le fer avec cette équation ..??
Bonne nuit ..

Bonsoir triall,

néanmoins, aligner le calcul de la poussée d'Archimède sur une feuille permet de mieux se rendre compte du rôle de chaque paramètre de l'équation. C'est bien un élément de compréhension.

Pour la vitesse de propagation d'ondes mécaniques longitudinales dans le fer :
E = 196 000 00 000 Pa
Rho = 7 874 km/m^3

Après calcul : c = 4 990 m/s

On m'a toujours dit que le son se baladait à 5 km/s dans les rails de chemin de fer. Le compte est bon

[Gilgamesh]

Quant à la célérité du son , je ne connais pas cette formule, ni le module de Young : rac (E/rho) bravo donc, je vous fais confiance , je suis alors presque convaincu ... Comment sort-on la vitesse du son dans le fer avec cette équation ..??
Bonne nuit ..

le module d'Young donne simplement la proportionnalité entre la contrainte et l'allongement. Concrètement c'est la contrainte (en Pascal) qui produit un allongement x2 du matériau.

Pour le fer
E ~ 200 GPa
rho ~ 7900 kg/m3



c ~ 5000 m/s

a+

edit : burned

[phuphus]

Il est vrai que c'est plutôt intriguant de pouvoir entendre une conversation à travers un mur.

Cette "robustesse" du son en terme d'intelligibilité m'a toujours surpris.
Je l'admet comme un fait expérimental, sans jamais l'avoir complètement saisi.

Bonsoir lionelod,

on doit pouvoir trouver sur internet la courbe de transmission en fonction de la fréquence d'une paroi. Grosso modo, elle suit la loi de masse, avec quelques accidents (modes propres, fréquence de coïcncidence, etc.). Cette courbe définit un filtre, filtre qui n'entame pas les caractères importants d'un son pour la compréhension d'un message. Pire, avec l'expérience le cerveau intègre très bien le filtrage d'un mur, et en tient compte.

Pour donner une analogie, Bugs Bunny ou Mickey Mouse sont loin d'être des dessins destinés à un livre d'identification des animaux. Mais quand on connaît leurs pendants biologiques, on reconnaît parfaitement un lapin ou une souris, puisque les paramètres saillants sont présents.

C'est pareil pour un son : si les "gènes" sont présents, l'identification est possible sans problème.

[phuphus]

le module d'Young donne simplement la proportionnalité entre la contrainte et l'allongement

Bonsoir Gilgamesh,

entre contrainte et déformation pour être pinailleur. Pour l'allongement total d'une barre, le coefficient de Poisson entre en jeu, et la section varie avec l'allongement

[invitef17c7c8d]

Bonsoir lionelod,

on doit pouvoir trouver sur internet la courbe de transmission en fonction de la fréquence d'une paroi. Grosso modo, elle suit la loi de masse, avec quelques accidents (modes propres, fréquence de coïcncidence, etc.). Cette courbe définit un filtre, filtre qui n'entame pas les caractères importants d'un son pour la compréhension d'un message. Pire, avec l'expérience le cerveau intègre très bien le filtrage d'un mur, et en tient compte.

Pour donner une analogie, Bugs Bunny ou Mickey Mouse sont loin d'être des dessins destinés à un livre d'identification des animaux. Mais quand on connaît leurs pendants biologiques, on reconnaît parfaitement un lapin ou une souris, puisque les paramètres saillants sont présents.

C'est pareil pour un son : si les "gènes" sont présents, l'identification est possible sans problème.

Très belle analogie avec la biologie.
Finalement, la loi de masse peut être vu comme un paramètre macroscopique émergeant.
Toutes les fluctuations et autres dispersions que pourraient rencontrer l'onde sur son chemin ne la dénature pas.

Je pense qu'il y a derrière un découplage des échelles qui peut aussi expliquer la loi de masse: Les disparités et les défauts du mur sont petites et nombreuses devant la longueur d'onde. Leurs effets cummulés se traduisent par un simple filtrage de l'onde.

[Gilgamesh]

Bonsoir Gilgamesh,

entre contrainte et déformation pour être pinailleur. Pour l'allongement total d'une barre, le coefficient de Poisson entre en jeu, et la section varie avec l'allongement

Certe. Et pour compléter le "pinaillage" il faut préciser que le calcul de la vitesse du son fait aussi intervenir le coef de Poisson. Mais comme ça tourne toujours autours de 0,3 ça ne change pas les ordres de grandeurs...

a+

[shisha]

Merci à vous tous pour vos explications