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Les différences et les similitudes entre les vagues océaniques et les ondes sonores
Lorsqu’un surfeur et un musicien pensent aux vagues, deux images très différentes peuvent leur venir à l’esprit.
L’une est le mouvement ondulant et changeant de la surface de l’océan, l’autre est l’ondulation invisible de la pression qui transporte le son d’un haut-parleur jusqu’à nos oreilles.
Bien que les deux types d’ondes partagent le concept de base de l’énergie se déplaçant dans un milieu, leur nature et leur comportement sont façonnés par des processus physiques distincts.
Mais simplifions les choses. Imaginez un surfeur surfant sur une vague de l’océan.
Le l’énergie du vent crée une vague qui porte le surfeur vers l’avant, même si l’eau sous lui se déplace principalement de façon circulaire.
Imaginez maintenant un tambour battant dans une pièce calme.
L’onde sonore qui en résulte comprime et dilate l’air devant le tambour, transportant la note de musique jusqu’à votre oreille dans un mouvement direct et linéaire.
Ces exemples montrent que la même idée de base – l’énergie se déplaçant dans un milieu – peut être réalisée de différentes manières.
Dans l’océan, la gravité et la dynamique des fluides de l’eau produisent des vagues dont la vitesse peut varier en fonction de la taille de la vague et de la profondeur de l’eau.
Dans le son, l’élasticité et la pression du milieu conduisent à une vitesse de propagation plus uniforme.
Maintenant que nous avons mis en perspective les ondes océaniques et les ondes sonores, il est temps d’approfondir ce qui unit et différencie ces deux effets d’ondulation.
Définition des ondes océaniques et sonores
Commençons par définir chaque type de vague sans entrer dans les détails.
Les vagues océaniques – souvent appelées ondes de gravité de surface – se produisent à la frontière entre l’eau et l’air.
Elles proviennent principalement de l’énergie éolienne et sont régies par la gravité.
Lorsque le vent perturbe une surface calme, il crée de petites ondulations qui, sous l’effet de la gravité, se transforment en houle roulante.
En eau profonde, les particules d’eau se déplacent sur des orbites à peu près circulaires ; plus près du rivage, où l’eau est moins profonde, leurs trajectoires s’aplatissent en ellipses allongées.
D’autre part, les ondes sonores sont des perturbations de la pression qui se déplacent dans un milieu matériel (tel que l’air ou l’eau) en comprimant et en raréfiant les particules de ce milieu.
Contrairement aux orbites tourbillonnantes de l’eau dans les vagues océaniques, le mouvement des ondes sonores est parallèle à la direction dans laquelle l’onde se déplace – c’est pourquoi elles sont décrites comme des ondes longitudinales.
Dans un environnement typique, le son dans l’air se déplace à une vitesse presque constante (environ 343 mètres par seconde ou 1 125 pieds par seconde) et transporte de l’énergie sans transporter de grandes quantités de matière.
Des contrastes saisissants
L’une des premières divergences entre les ondes de surface et les ondes sonores réside dans leur mode de propagation.
1. Propagation
Forces de restauration
Le principal facteur à l’origine des vagues océaniques est la gravité.
Une fois que l’eau est soulevée par le vent, la gravité la ramène vers le bas, créant ainsi le mouvement oscillatoire qui forme la vague.
La tension superficielle peut également entrer en jeu, en particulier pour les très petites ondulations, mais la gravité est la force dominante dans les grandes vagues poussées par le vent.
En revanche, les ondes sonores dépendent de la compressibilité du milieu, c’est-à-dire de la capacité de l’air ou de l’eau à être comprimé et à rebondir.
Ici, la “force de rappel” provient des différences de pression plutôt que de la gravité.
Mouvement des particules
Dans les vagues océaniques, les particules d’eau ne se déplacent pas avec la vague, mais sur des orbites répétitives (voir l’animation ci-dessus).
Ce mouvement orbital signifie que, bien que l’énergie se déplace à la surface, les molécules d’eau reviennent généralement près de leur position initiale.
Dans le cas des ondes sonores, les particules oscillent d’avant en arrière dans le sens du déplacement de l’onde, créant ainsi une alternance de zones de haute et de basse pression.
Ce mouvement de va-et-vient transporte l’énergie sonore vers l’avant sans mouvement de masse de l’air ou de l’eau (voir l’animation ci-dessous).
2. Vitesse et dispersion
Variabilité et cohérence
Une différence frappante entre ces vagues est la façon dont leur vitesse est déterminée.
La vitesse des vagues de surface de l’océan dépend de facteurs tels que la longueur d’onde et la profondeur de l’eau.
En eaux profondes, les ondes plus longues voyagent plus vite que les ondes plus courtes – une propriété connue sous le nom de dispersion.
En revanche, dans un milieu donné, les ondes sonores ont tendance à se déplacer à une vitesse presque constante, quelle que soit la fréquence, pour autant que le milieu soit uniforme.
Par conséquent, alors que les vagues de l’océan peuvent “s’étaler” dans le temps avec différentes parties se déplaçant à des vitesses différentes, les ondes sonores conservent un rythme constant au cours de leur propagation.
Gamme de fréquences et longueur d’onde
Un autre point de contraste est leur gamme de fréquences typique.
Les vagues océaniques ont généralement des fréquences basses – avec périodes mesurées en secondes – et des longueurs d’onde pouvant atteindre des dizaines ou des centaines de mètres (voir l’animation ci-dessus).
Les ondes sonores, en revanche, couvrent une plage beaucoup plus large (voir l’animation ci-dessous) ; celles qui sont audibles par l’homme se situent entre 20 Hz et 20 kHz environ, avec des longueurs d’onde allant de quelques centimètres (dans l’air) à plusieurs mètres (dans l’eau).
Ces différences d’échelle influencent également la manière dont chaque type d’onde interagit avec son environnement.
Caractéristiques communes
Les différences ont été décomposées.
Il est maintenant temps d’examiner ce que les ondes de gravité de surface et les ondes sonores ont en commun.
Il existe en fait plusieurs similitudes intéressantes et importantes :
1. Transport d’énergie
Les deux types d’ondes déplacent l’énergie d’un endroit à un autre sans déplacer le milieu de façon permanente.
L’eau de l’océan et l’air dans lequel le son se propage restent en fin de compte à peu près au même endroit, même si de l’énergie est transmise.
2. Propriétés des ondes
Elles peuvent toutes deux être décrites par des paramètres communs tels que la fréquence, la longueur d’onde, l’amplitude et la phase.
Dans le cadre des approximations linéaires, des formes mathématiques similaires sont utilisées pour analyser leur comportement.
3. Dépendance à l’égard d’un milieu
Aucun des deux types ne peut voyager sans support.
Les ondes océaniques ont besoin de la frontière entre l’eau et l’air, et les ondes sonores ont besoin d’un support matériel comme l’air ou l’eau.
Cette dépendance commune a pour conséquence pratique que les changements dans le milieu (tels que la température ou la profondeur de l’eau) influencent leur vitesse et leur comportement.
Paroles de Luís MP | Fondateur de SurferToday.com
