Le son et les ondes

Une gravure ancienne montre un grand cornet couché, relié à un cylindre qu'on tourne avec une manivelle. — Le phonautographe d’Édouard-Léon Scott de Martinville, modèle de 1859 : gravure publiée en 1865 dans un livre de Franz Josef Pisko. Édouard-Léon Scott de Martinville (1817–1879), Domaine public, source

Un même bruit peut valoir 150 dB dans l’eau et 90 dB dans l’air. C’est pourtant exactement la même énergie.

Cette page traite des décibels ; c’est l’endroit du site le plus propice pour comprendre une question fondamentale : que compte exactement ce chiffre ?

1. D’abord, ce qu’est un son

Un son est de la matière qui vibre.

Quand on frappe un tambour, la peau tremble, pousse l’air qui la touche, cet air pousse l’air voisin, et ainsi de suite jusqu’à l’oreille. Le son voyage par une suite de compressions et de détentes dans un milieu — l’air, l’eau, le métal.¹

Sans matière, pas de son. Dans l’espace, rien ne peut vibrer : un vaisseau qui explose n’y fait aucun bruit. C’est l’une des rares erreurs physiques que la plupart des films de science-fiction continuent de perpétuer.

Le son voyage d’autant plus vite que le milieu est rigide — difficile à comprimer. (Ce n’est pas la densité qui compte : à rigidité égale, un milieu plus dense ralentit le son. L’acier est rapide parce qu’il est très rigide, malgré son poids.)²

Milieu	Vitesse moyenne	Exemple pratique
Air	~ 340 m/s	Propagation standard dans la vie courante
Eau	~ 1 500 m/s	Sons sous-marins et écholocalisation
Acier	~ 6 000 m/s	On entend le train sur le rail avant de l’entendre dans l’air

Sources du tableau³

2. Ce qui fait qu’un son est aigu ou grave

Une corde de guitare qui vibre vite produit un son aigu. La même corde, plus lâche, vibre lentement et produit un son grave. Ce qui change, c’est le nombre d’allers-retours par seconde : la fréquence.

Elle se compte en hertz : un hertz correspond à une vibration par seconde. La corde de mi grave d’une guitare vibre environ 82 fois par seconde ; celle de mi aigu, environ 330 fois. Soit quatre fois plus vite, deux octaves plus haut.⁴

L’oreille humaine perçoit à peu près de 20 à 20 000 hertz. Il s’agit d’une fourchette, non d’une frontière : elle se rétrécit avec l’âge, surtout par le haut, et un adulte de cinquante ans entend rarement au-delà de 15 000 hertz. Ce qu’on entend à un âge donné, on ne l’entendra pas toute sa vie.⁵

Au-delà de ces bornes, le son existe toujours — c’est l’oreille qui s’arrête, pas la physique. En dessous de 20 hertz, on parle d’infrasons : les éléphants s’en servent pour communiquer à plusieurs kilomètres. Au-dessus de 20 000 hertz, d’ultrasons : les chauves-souris s’en servent pour voir dans le noir.

Deux notions différentes ne doivent pas être confondues. La fréquence distingue l’aigu du grave. Le décibel, dont traite toute la suite de cette page, distingue le fort du faible. Un son très aigu peut être très faible, et un son très grave peut être assourdissant. Ce sont deux échelles indépendantes.

3. Le décibel n’est pas une unité

Un mètre est un mètre. Un kilogramme est un kilogramme. Ce sont des unités : elles mesurent une quantité absolue.

Le décibel n’est pas une unité. C’est un rapport.⁶

Il ne mesure pas directement une quantité de son : il compare l’énergie d’un son à une référence choisie. Lire « 60 décibels » signifie « 60 décibels au-dessus de la référence ». Dans l’air, cette référence est une convention fixée proche du son le plus faible qu’une oreille humaine normale peut percevoir (20 µPa).⁷

Sans la référence, le nombre perd tout son sens.

La preuve par l’eau

Sous l’eau, les acousticiens utilisent une autre référence (1 µPa), vingt fois plus petite. Résultat : un son de même énergie physique est mesuré à environ 61 décibels de plus dans l’eau que dans l’air.⁸

150 dB sous l’eau ≠ 150 dB dans l’air.
Un seul chiffre, deux conventions distinctes, deux réalités physiques différentes.

Mais l’explication rapide, celle qu’on lit presque partout, appelle la prudence : « l’écart vient du changement de référence ». C’est vrai, mais insuffisant.

Passer de 20 à 1 micropascal revient à diviser la référence par vingt — ce qui ne produit que 26 décibels d’écart. Il en manque donc trente-cinq.⁹

Ils viennent d’ailleurs : l’eau résiste bien plus que l’air au passage d’une onde. Les acousticiens appellent cela l’impédance. À pression identique, une onde transporte beaucoup moins d’énergie dans l’eau que dans l’air, et ce second effet vaut environ 35,5 décibels.¹⁰

Ce qui produit l’écart	Combien
Le changement de référence (20 → 1 µPa)	~26 dB
La différence d’impédance entre l’eau et l’air	~35,5 dB
Total	~61,5 dB

La méthode importe plus que les nombres. Une explication qui rend compte du bon résultat n’est pas forcément la bonne explication : ici, la référence seule donnait 26 au lieu de 61. Quand un raisonnement juste n’arrive pas au compte, c’est qu’il lui manque un élément.

Reste la mise en garde des spécialistes eux-mêmes.

Ce chiffre de 61,5 circule beaucoup, et les acousticiens s’en méfient. Ils écrivent qu’il est inapproprié de dire que soustraire 61,5 décibels « convertit » un niveau sous-marin en son équivalent dans l’air.¹¹

La raison : la conversion règle la question de la physique, pas celle de la perception. Entendre sous l’eau et entendre dans l’air ne se ressemblent pas ; et comparer ce qu’entend un humain à ce qu’entend un phoque pose un problème que ce calcul ne résout pas.¹²

Ces chercheurs le disent sans détour : mieux vaut appliquer ce facteur que de n’en appliquer aucun — cela a produit des comparaisons trompeuses —, mais son existence peut donner un faux sentiment de sécurité. On croit avoir comparé ; on a seulement converti.¹³

4. L’échelle n’avance pas régulièrement

Sur une règle graduée classique, la distance entre 10 et 20 est la même qu’entre 20 et 30. L’échelle des décibels, elle, est logarithmique : chaque pas multiplie la valeur au lieu de l’additionner.

+10 dB = 10 fois plus d’énergie sonore
+20 dB = 100 fois plus d’énergie sonore
+30 dB = 1 000 fois plus d’énergie sonore¹⁴

C’est pour cela qu’une différence qui paraît petite à l’écrit peut être énorme dans les faits. Entre 85 et 115 décibels, l’écart n’est que de trente points sur le papier ; le second niveau porte pourtant mille fois plus d’énergie.

5. Un rapport n’est pas une unité, et c’est officiel

Ce n’est pas une subtilité de rédaction : c’est une décision de nomenclature.

Le Système international d’unités — celui qui définit le mètre, le kilogramme et la seconde — ne compte pas le décibel parmi ses unités. Il le range parmi les unités en dehors du SI, qui servent à exprimer des grandeurs logarithmiques.¹⁵

La raison est exactement celle des sections précédentes. Une unité mesure une quantité qui existe indépendamment de l’observateur : un mètre reste un mètre, qu’on mesure une table ou une planète. Un décibel, lui, ne dit rien tant qu’on n’a pas précisé par rapport à quoi.

Beaucoup de nombres courants fonctionnent ainsi sans le dire. Un pourcentage est un rapport. Un indice boursier est un rapport. Une magnitude de séisme est un rapport. Tous se lisent comme des quantités, et aucun n’en est une.

6. Que compte donc ce chiffre ?

Retour à la phrase du début : un même bruit vaut 150 dB dans l’eau et 90 dB dans l’air.

Aucun des deux chiffres n’est faux. Aucun des deux n’est arrondi ou approximatif. Ils sont tous les deux exacts, et ils décrivent le même événement physique. Ce qui change, c’est la convention de mesure — et une convention n’est ni vraie ni fausse, elle est choisie.

Il en découle une règle simple, qui vaut bien au-delà du son :

Avant de comparer deux chiffres, il faut vérifier qu’ils comptent la même chose.

Deux mesures en décibels ne se comparent que si elles partagent la même référence. C’est la même précaution que pour les seuils qui définissent une ville, les années de départ qui définissent une variation, ou les périmètres qui définissent un stock de poissons. Le nombre est solide ; c’est la phrase écrite au-dessus qui décide de ce qu’il veut dire.¹⁶

Note 1

The physical phenomenon of sound is defined to be a disturbance of matter that is transmitted from its source outward. […] These compressions (high pressure regions) and rarefactions (low pressure regions) move out as longitudinal pressure waves having the same frequency as the string—they are the disturbance that is a sound wave.

Le phénomène physique du son se définit comme une perturbation de la matière qui se transmet à partir de sa source. […] Ces compressions (régions de haute pression) et ces raréfactions (régions de basse pression) se propagent vers l’extérieur sous forme d’ondes de pression longitudinales, de même fréquence que la corde : elles sont la perturbation qu’est une onde sonore.

Urone, Paul Peter et Hinrichs, Roger, College Physics 2e, OpenStax (Rice University), 2022, section 17.1 « Sound »