User:JeJuLo

INTRODUCTION

Avez-vous déjà remarqué que le monde semblait bien plus calme quand il est recouvert d’une épaisse couche de neige ? C’est à partir de ce constat que nous avons constitué ce TPE, en nous demandant : pourquoi y-a-t-il moins de bruit quand il neige ? Bien que cette observation soit peu connue, elle a été scientifiquement prouvée. Nous aurions aimé pouvoir expérimenter de nous-même cette absorption dans les rues du Vésinet, cependant les éléments n’ont pas été en notre faveur au moment opportun. Nous allons tenter d’expliquer ce phénomène en s'intéressant dans un premier temps aux phénomènes du son, puis de la neige dans un second temps. Nous analyserons ensuite la réaction du son avec la neige, pour enfin comparer l’absorption du son dans différents milieux.

DEVELOPPEMENT I- LES SONS

A. Définition du son

Problème 1: Qu’est-ce qu’un son ?

Le son est un ensemble d’ondes périodiques qui se propagent dans un milieu élastique tels qu’un gaz, solide ou liquide suite à une perturbation. En physique nous définissons le son ou une onde sonore comme un échange d’énergie sans transport de matière, grâce à des modifications de pression. Ces variations de pression sont à l’origine de la pression acoustique. Il s’agit de la force exercée par le son sur une surface.

Une onde sonore possède différentes caractéristiques qui permettent de différencier les sons que nous entendons tels qu’un motif élémentaire, une période, une fréquence, une amplitude (ou intensité), une longueur d’onde ou un timbre. La période, notée T, s’exprime en seconde et correspond à la durée d’un motif élémentaire. Un motif élémentaire est la plus petite partie de la courbe d’une onde qui se répète à l’infini. La fréquence, notée F, s’exprime en Hertz (Hz) et correspond au nombre de motifs élémentaires qui se répète en une seconde. Elle est liée à la période par la formule : 𝐹=1𝑇 où T est la période en seconde et F la fréquence en Hertz. L’amplitude d’une onde est l'écart maximal en décibel de l’onde, entre la position de repos et le milieu. Le timbre d’un son représente l’addition de fréquences dérivées, issues d’une fréquence fondamentale, initialement choisie. Ces fréquences dérivées sont la multiplication de la fréquence fondamentale par un nombre entier, elles sont dites harmoniques. La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde en une période. Elle s’exprime en nanomètre (nm).

Schéma de la représentation d’une onde en fonction du temps avec certaines caractéristiques

Il existe différents types de sons, d’ondes et de bruits :

• les sons purs qui ne sont composés que d’une seule et unique fréquence. C’est une onde sinusoïdale dont la fréquence et l ‘amplitude maximales sont constantes.

• les sons complexes sont composés de différentes fréquences fondamentales, appelées sons purs et d’harmoniques. Ce sont eux qui sont le plus souvent entendus dans la vie quotidienne.

Schéma de la composition d’un son complexe

• Une onde stationnaire est l’addition de deux ondes de même fréquence et de même amplitude mais de sens opposés. Certain point de l’onde deviennent alors immobiles dans le temps, ce sont des nœuds .

Schéma d’une onde stationnaire • Une onde progressive est une onde qui ne se déforme pas ni ne s’atténue au cours du temps. Le signal (ou la déformation) reste la même de t₀ (moment de l’émission) à tout t₁.

Schéma d’une onde progressive

• Une onde plane est une onde qui a un instant donné prend la même valeur de grandeur physique sur tous les points de plans perpendiculaires au sens de propagation de l’onde. Ces plans sont appelés surfaces d’ondes. La grandeur physique en question dépend du temps et des coordonnées tridimensionnelles (x, y, z). Cette onde plane se propage dans une seule direction.

Schéma d’une onde plane • Une onde sphérique est une onde émise en générale par un objet plus petit que la longueur d’onde de l’onde. L’onde se propage dans toute les directions d’un espace et à la même grandeur physique pour tous les points des plan sphérique perpendiculaire à son sens de propagation.

Schéma d’une onde sphérique

• Une onde de choc est une transition brutale dans les grandeurs caractéristiques de la grandeur étudiée. Cette transition est liée une forte augmentation de pression en un temps très cours ou une modification de la température ou de la masse volumique

• Une onde oscillante est une onde périodique qui a par définition a un motif élémentaire qui se répète.

• Une onde solitaire est une onde qui ne se déforme pas et qui n’as qu’une seule fréquence

• Un bruit blanc est le son que nous entendons lorsqu’une télé grésille. Il s’agit d’un son composé de toutes les fréquences de 20 à 20000 Hz ayant toutes la même énergie, ce qui équivaut à autant de grave que de medium ou d’aigus. Il s’appelle « bruit blanc » car en optique, la couleur blanc est synonyme de toutes les couleurs.

Schéma d’un bruit blanc

• Les Ultrasons sont des ondes de la même nature que les ondes sonores mais qui ont une fréquence trop élevée pour que l’oreille humaine puisse les percevoir : plus de 20000 Hz.

• Les Infrasons sont des ondes de la même nature que le son, mais de fréquence trop faible pour que l'oreille puisse la percevoir. Si les périodes de ces vibrations acoustiques se répètent à plus de 16 ou 20 Hz, l’oreille humaine peut les percevoir.

Schéma du domaine sonore B. Propagation

Problème 2 : Comment se propage-t-il ?

Le son ou l’onde sonore se propage par contact entre les molécules du milieu après qu’elles aient été mises en mouvement par l’onde. Lors de cette agitation, la pression du milieu entre deux molécules est modifiée. Lorsqu’elle augmente, elle permet le contact des molécules, ce sont les zones de compression. Puis elles reprennent leur position initiale quand la pression diminue, ce sont les zones de décompression. Cela permet la propagation de l’onde. Elle propage ainsi dans toutes les directions.

Lorsque le milieu n’as presque pas de molécules ou qu’elles sont beaucoup trop éloignées pour pouvoir entrer en contact, l’onde sonore ne se propage pas car elle n’a pas de support, c’est le cas de l’espace.

La vitesse de propagation du son varie en fonction du milieu. Nous savons que dans l'eau à 20°C, sa vitesse est de 1481 m.s⁻¹ or que pour la même température, la vitesse de propagation du son dans l’air est de 343 m.s⁻¹. On en déduit que le son se propage plus vite dans un milieu condensé comme un liquide ou un solide que dans un milieu dilué comme un gaz car plus les molécules qui composent le milieu sont proches, plus la vitesse l’onde sera rapide.

Dans l’air, la vitesse de propagation du son se calcule avec la formule v = d / ∆t avec la distance parcouru d en mètre et le temps t en seconde ou avec c = 331,35 + 0,607 x θ qui donne une valeur approximative et où c s'exprime en m.s⁻¹ et la température θ en °C. Avec cette formule, la vitesse du son dans l'air à 20°C est de 343 m.s⁻¹ et est de 331 m.s⁻¹ à 0 °C. On en déduit que la température du milieu joue un rôle importante dans la vitesse de propagation. On comprend donc que la vitesse du son dans l’air varie en fonction de plusieurs facteurs comme la température du milieu ou la densité du milieu.

Nous savons que le son se propage dans toutes les directions, or quand il entre en contact avec un objet ou une paroi, on peut observer trois phénomènes physiques différents :

● un phénomène d’absorption : une partie de des ondes est absorbée par le matériau. Cette partie est plus ou moins importante en fonction du coefficient d'absorption (𝜶) du matériau. La formule de ce coefficient d’absorption est : 𝜶 = Ir ÷ I où Ir est l’intensité ou l’énergie de l’onde sonore absorbée en décibel et I l’intensité de l’onde sonore incidente en décibel noté dB

● un phénomène de transmission : une petite partie des ondes sonores passe à travers l'objet ou la paroi. Plus l’intensité des ondes sonore transmises est faible plus l’objet ou la paroi est isolant(e) sonore.

● un phénomène de réflexion: le reste des ondes est réfléchi contre l’objet ou la paroi en conservant l’angle d’incidence par rapport à la normale. Il est possible de calculer le coefficient de réflexion du matériau grâce à la formule suivante : r = Ir I où Ir est l’intensité acoustique des ondes réfléchies. L’intensité des ondes réfléchies est plus faible que l’intensité des ondes incidentes ce qui explique l’atténuation du son suite à plusieurs réflexions. De plus si la surface est accidentée et que la longueur d’onde et la taille des irrégularités de surface sont égales, il se produit un phénomène de diffusion : les ondes réfléchies seront réparties dans toutes les directions.

Ces phénomènes expliquent la propagation des ondes dans un espace cependant il existe d’autres phénomènes sonores lié au phénomène de réflexion qu’il faut prendre en compte : la réverbération et le phénomène d’écho. Ce sont des phénomènes très proches, en effet lorsqu’une onde est réfléchie elle met du temps à revenir à la source car nous le rappelons la vitesse du son dans l’air est de 340 m.s⁻¹. Ainsi plus la distance entre la paroi et la source est importante, plus il y aura un décalage entre l’émission et la réception de l’onde. Si la réception du son se fait rapidement et qu’on ne peut la dissocier de l’émission, on parle de réverbération aussi appelée résonance. Si la réception est trop décalée par rapport à l’émission et que l’on est capable de dissocier les deux, on parle d’écho.

De plus lorsqu’une onde se propage en champs libre (sans rencontrer une surface), elle perd en intensité au fur et à mesure : environ 6 décibels lorsque la distance avec la source est doublée. Il s’agit du phénomène de divergence géométrique.

C. Réception du son par l'oreille

Problème 3 : Comment l’homme le perçoit-il ?

Lorsqu'un son est perçu par l'oreille, il suit un parcours précis. En effet l'oreille se divise en trois parties qui ont une fonction bien déterminée : l'oreille externe, l'oreille moyenne et l’oreille interne. Le pavillon de l'oreille capte les ondes sonores qui sont transmises dans le conduit auditif jusqu'aux tympans : c'est l'oreille externe qui agit comme une structure de résonance et de protection. Les ondes sonores vont faire vibrer les tympans qui vont transmettre le son sous forme de vibrations solidiennes(*) au marteau, puis à l'enclume et à l'étrier : il s'agit de l'oreille moyenne qui sert d’intermédiaire entre l'oreille externe et interne. L'étrier transmet le son à la cochlée où les cils qu'elle contient, vont entrer en mouvement grâce aux vibrations dans le liquide périlymphe. Le mouvement des cils va permettre la formation d'un signal nerveux qui sera transmis par le nerf auditif au cerveau : c’est l'oreille interne.

Schéma de l’organisation de l’oreille

Le son est transmis au cerveau en tant que signal électrique, et non en tant que vibration. Lorsqu'elle arrive dans l'oreille interne, les cellules ciliées détectent la vibration et la transforment en message nerveux. Ce message est transmis dans le nerf auditif, puis arrive dans le noyau cochléaire qui va traiter les informations contenues dans la vibration afin de la répartir dans les bons circuits supérieurs. Il arrive ensuite dans le tronc cérébral qui reçoit les informations sensorielles. Pour finir, le message nerveux arrive dans le cortex auditif qui va l'analyser et le traduire en différents sons.

Schéma expliqué du trajet du son de l’oreille au cerveau

(*) Les vibrations solidiennes sont associées aux bruits solidiens, qui sont les bruits créés à partir de la structure des bâtiments. Ils peuvent être des bruits d'impact ou de choc, où la vibration se crée à l'intérieur du solide. Ils peuvent également être des bruits d'équipement, où la vibration est transmise dans la structure.

II- LA NEIGE

A. Formation

Problème 4 : Comment se forme la neige ?

L’eau existe sous trois états : solide, liquide ou gazeux. Les passages d’un état à l’autre se font à l’aide de la pression et de la température et constituent le cycle de l’eau. 97% de l’eau est présente dans les océans et 3% sous forme d’eau douce. L’eau s’évapore sous la chaleur du soleil et se transforme en vapeur d’eau. Ensuite elle se condense et forme des cristaux de glace, ce qui devient des nuages. Lorsque ces cristaux grossissent, cela s’appelle la solidification, ils finissent par retomber, en neige ou en pluie selon la température. Enfin cette neige ou cette pluie ruisselle et retourne dans la neige ou bien s’infiltre dans les nappes phréatiques.

La neige est un matériau naturel faite d’eau (H2O) sous forme solide et d’air, qui est éphémère et blanche. La formation de la neige est favorisée par des petites particules de poussières. En effet, ces particules forment le noyau des gouttelettes à l’origine des cristaux de neige. Tout cela se passe lors de la condensation. La transformation de la neige se fait progressivement, c’est-à-dire que les gouttelettes d’eau ne gèlent pas à la même vitesse. Certaines restent en surfusion, autrement dit à l’état liquide même lorsque la température est négative jusqu’à -40°C par exemple, et d’autres peuvent geler dès -6°C. Lorsque ces gouttelettes gelées vont passer dans des zones humides, donc riches en vapeur d’eau, des très fines gouttelettes présentes dans cette vapeur vont s’y accrocher. C’est ce qui va former un flocon de neige. Lorsque ce flocon devient trop lourd, il tombe à cause de la force que la Terre exerce sur eux et ce plus ou moins rapidement selon le vent. Les flocons de neige ont tous une forme hexagonale liée à l’angle entre les atomes des molécules d’eau qui le composent, mais ils sont tous différents, à cause de plusieurs facteurs : l’air dans lequel ils se fabriquent, la température et l’humidité. Une fois la neige tombée au sol, elle forme ce que l’on appelle le manteau neigeux, constitué de différentes couches de neiges.

Schéma du cycle de l’eau

B. Température

Problème 5 : A quelles températures se forme la neige ?

La neige tombe en général sous une température inférieure à 0°C, bien que cela puisse aller jusqu’à 3°C. Il existe trois types de neige : la neige sèche, la neige humide et la neige mouillée. La neige sèche tombe lorsque la température est bien en-dessous de 0°C. C’est le plus souvent celle qui tombe en montagne.

La neige sèche est légère, poudreuse et ne contient pas d’eau liquide. On parle de neige sèche lorsqu’elle contient moins de 7% d’eau. Elle n’adhère pas beaucoup au sol et donc est facilement transportable par le vent. La neige sèche est la meilleure pour glisser. Une vraie neige poudreuse est constituée de 90% à 95% d’air. Elle est rare en Europe car les conditions climatiques ne sont pas adaptées contrairement au Canada.

Photo de la neige sèche

La neige humide, tombe généralement entre -5°C et 1°C. Elle est lourde, collante et assez désagréable. C’est celle qui a le plus tendance à tomber en plaine. Elle est plus compacte et adhère plus facilement. Les flocons qui la composent sont assez gros. La neige devient humide quand elle prend le soleil ou que la température augmente. Elle est plus apte à être utilisée pour faire des boules de neige. . Photo de la neige humide Enfin, la neige mouillée tombe quasiment toujours par température positive. Elle est très lourde car elle contient beaucoup d’eau liquide. Elle fond rapidement mais peut geler et créer du verglas. Elle tapisse en générale les routes.

Photo de la neige mouillée C. Couches de neige

Problème 6 :Quelles sont les caractérisiques des couches de neige ?

Chaque chute de neige rajoute une couche. Un empilement de couches s’appelle le manteau neigeux. Le manteau neigeux va être soumis à différents flux énergétiques liés à la météorologie, qui vont amener à des déformations. Le soleil va apporter de la chaleur au manteau neigeux. La neige va absorber environ 30% de cette énergie solaire et en réfléchir 70%. Ensuite, les précipitations vont réchauffer ou refroidir le manteau, selon la température du manteau et de ces précipitations. La pluie va avoir tendance à réchauffer et à humidifier le manteau neigeux, ce qui va créer un tassement. Enfin, les échanges entre l’air ambiant et le manteau neigeux vont créer de la chaleur, qui pourra être intensifiée s’il y a du vent. Donc plus il y aura de vent, moins il y aura de neige. Un manteau de neige homogène permet de limiter les écarts de température. De plus, plus la neige est chaude, plus la différence de température entre la surface et le sol est importante, et plus les couches se transforment rapidement. Le gradient de température est une grandeur vectorielle qui indique la manière dont la température varie dans la neige. Il y a quatre déformations, appelées métamorphoses, de neige possibles : • La métamorphose d’isothermie : le gradient thermique au sein de la couche est faible, inférieur à 5°C par mètre. On a une cohésion de frittage, c’est-à-dire une consolidation de la neige, donc la couche de neige gagne en cohésion et en densité. • La métamorphose de gradient moyen : le gradient thermique est compris entre 5°C et 20°C par mètre. On a une diminution de la cohésion de frittage, donc une perte de stabilité et la couche de neige perd en cohésion et en densité. • La métamorphose de gradient fort : le gradient thermique est au-dessus de 20°C par mètre. Le manteau neigeux devient très instable. • La métamorphose de fonte : il y a une apparition d’eau au cœur du manteau neigeux, qui devient très instable, on obtient alors de la neige mouillée.

La densité de la neige fraîche est variable. Elle dépend de la température, du type de cristaux et du vent. La valeur de la densité d’une neige non humide et tombée sans vent est de 0,11 (avec une masse volumique de 110 kg/m³), mais elle peut varier de 0,02 pour une neige froide et légère (avec une masse volumique de 20 kg/m³) jusqu’à 0,3 pour une neige humide de printemps (avec une masse volumique de 300 kg/m³). La densité diminue avec la température de l’air au sol, et elle augmente quand la chute de neige s’est faite avec le vent. Ensuite, la densité évolue, selon son vieillissement, son humidité et son tassement. Les couches de neige les plus en profondeur sont souvent les plus denses.

Il existe quatre types de cohésion de la neige :

• La cohésion de feutrage : cohésion des cristaux de neige fraîche due à l’imbrication des dendrites notamment. Elle est fragile est disparaît dès qu’il y a métamorphose.

• La cohésion de frittage : cohésion entre les grains fins qui se caractérise par la présence de ponts de glace entre les grains. C’est une bonne cohésion mais qui est propice aux cassures.

• La cohésion capillaire : cohésion typique des grains ronds qui est obtenue par la présence d’eau autour des grains. Si la teneur en eau liquide est faible, elle est assez bonne, mais si la teneur en eau liquide augmente, elle devient fragile.

• La cohésion de regel : cohésion qui a lieu lorsque l’eau liquide autour des grains gèle, ce qui permet de les souder. C’est la meilleure des cohésions.

La neige se tasse naturellement, soit en profondeur à cause du poids des couches supérieures, soit par les métamorphoses. Lorsque la neige se tasse, elle se compresse et permet une meilleure résistance à l’usure ainsi qu’une plus forte densité.

D. Structure

Problème 7 : Quelle est la structure de la neige ?

La neige est un matériau poreux. La porosité est une grandeur physique s’exprimant en pourcentage, et qui correspond à l’ensemble des vides, nommés pores, remplis d’un fluide liquide ou gazeux d’un matériau solide tel que la neige. La neige est formée de flocons, elle est constituée de nombreuses cavités contenant des molécules d’air. La porosité peut aussi être exprimée comme un rapport entre le volume des pores et le volume total du milieu poreux.

Ø = Vpores / Vtotal

La forme et la taille des pores a plusieurs origines : cela peut-être dû au type de roche sédimentaire qui forme le matériau (ou dans ce cas, le noyau du flocon)ou encore les contraintes mécaniques et thermiques subies par le matériau. Les différents types de pores sont classés selon leur diamètre, plus ou moins grand (dans un ordre de grandeur de 10 puissance -9 m).

Pour la mesurer ou l’étudier, il est aussi possible de réaliser des mesures tomographiques. D’après le Larousse, c’est une technique radiologique permettant d’obtenir artificiellement l’image nette d’un plan en coupe d’un matériau ou organe (par exemple en médecine) les autres couches étant estompées. Voilà deux images issues d’une étude tomographique de la porosité de la neige :

Image montrant la différence entre deux matériaux de porosités différentes

On constate que sur la première image, le cube de neige est beaucoup plus compact que sur le second, qui est beaucoup plus aéré. Cela prouve que plus le taux de porosité est élevé, plus le nombre de cavités, et donc la quantité d’air, sont élevés.

Lorsque plusieurs cristaux de glace entrent en collision et qu’ils se soudent, les flocons de neige se forment. La taille des flocons de neige est généralement comprise entre 2 et 5 millimètres.

Au cours de la formation des flocons dans les nuages, si la température est supérieure à -39°C, les cristaux de glace se forment sur une particule en suspension appelée noyau. Si la température est inférieure à -39°C, ils se forment par condensation de la vapeur d’eau.*

Ils ont tous une base hexagonale, mais leur forme varie selon la température ainsi que l’humidité : • De 0°C à -4°C, la forme privilégiée est celle dite des « plaquettes » :

Photo d’un flocon sous forme de plaquettes

• De -4°C à -6°C, la forme est celle dite de « l’aiguille » :

Photo d’un flocon de neige sous forme d’aiguille

• De -6°C à -10°C, la forme est celle de « colonnes creuses » :

Photo d’un flocon sous forme de colonnes creuses • De -10°C à -12°C et de -16°C à -22°C, la forme est celle de « dendrites » :

Photo d’un flocon sous forme de dendrites

• De -12°C à -16°C : La forme est celle dite d’ « étoile » :

Schéma d’un flocon sous forme d’étoile

Plus les cristaux grossissent, plus ils développent une structure élaborée. Leur forte sensibilité à la température et à l’humidité fait que leur croissance se modifie très facilement. Elle peut être plane, ou plutôt à branches, par exemple, selon les conditions. La trajectoire du cristal joue également un rôle important dans sa structure, et elle est très aléatoire. C’est pour toutes ces raisons qu’il est impossible de trouver deux cristaux de glace identiques. En revanche, les six branches d’un cristal étoile ou dendrite subissent les mêmes conditions, c’est pourquoi elles sont toutes similaires.

En grossissant, un cristal de glace va développer des facettes, c’est-à-dire des surfaces planes. Quand un cristal se développe depuis longtemps, les surfaces planes sont les seules à rester, donc le cristal va se « facetter » quoi qu’il arrive et quelle que soit sa structure de départ. Le facettage des cristaux suit la géométrie des molécules d’eau. Il apporte donc la forme hexagonale des cristaux de glace, mais si il n’y avait que ça, tous les cristaux auraient une simple forme de prismes hexagonaux, la forme plus complexe et unique est apportée par la ramification. Lorsque la taille du cristal est grande (environ un demi millimètre de diamètre) ou que il croît rapidement, il développe des branches. Quand un point du cristal est plus saillant, les molécules vont avoir tendance à s’y accrocher plus facilement car la distance est moins importante. Ce point du cristal va alors croître plus vite. Six branches vont donc pouvoir se développer plus rapidement à partir des six arêtes d’un cristal qui est hexagonal. D’autres branches appelées latérales vont ensuite pouvoir se développer sur ces branches dites principales et ainsi de suite. L’action simultanée du facettage et de la ramification est donc indispensable pour fabriquer la structure complexe des cristaux de glace.

III- LE SON DANS LA NEIGE A. Expérience

Problème 8 : Comment montre que la neige est absorbante ? Expérience du tube de Kundt

Malgré la présence de certains documents scientifiques spécifiant que la neige a un coefficient d’absorption du son très élevé, nous cherchons à démontrer par nous-même sa capacité d’absorption en réalisant une expérience avec laquelle nous pourrions définir son coefficient d’absorption. Le principe de notre expérience était donc d’utiliser un tube de Kundt, et étant donné notre incapacité à nous procurer de la vraie neige fraiche, nous comptions utiliser certains matériaux tels que le polystyrène, le coton, la neige artificielle et la glace pilée en tant que prototypes de la neige et comparer nos résultats à l’absorption phonique de la neige.

Malheureusement, nous pensions avoir à notre disposition un tube de Kundt en laboratoire de Physique Chimie, ce qui s’est avéré ne pas être le cas. De plus, même si nous avions pu réaliser cette expérience, nos résultats auraient été extrêmement éloignés de la réalité, puisque les calculs à réaliser étaient beaucoup plus complexes que ceux que nous pouvons résoudre en classe de 1èreS, et le matériel du lycée Alain n’aurait pas été assez précis.

L’expérience consistait à créer à l’aide d’un haut-parleur à l’extrémité du tube une onde stationnaire, c’est à dire une onde produite par la propagation simultanée de plusieurs ondes de même fréquence, dans le même milieu, mais dans des directions différentes, et de mesurer le niveau sonore à plusieurs points du tube. Le spectre de fréquence utilisable dépend par la suite de la taille et du diamètre du tube. Voici un schéma permettant de montrer à quoi ressemble précisément l’installation du tube à ondes stationnaires :

Schéma de la disposition du matériel de l’expérience du tube de kundt

On remarque sur le schéma qu’à une des extrémités du tube se situe l’échantillon à tester, tandis qu’à l’opposé se trouve le haut-parleur. Le principe de fonctionnement du tube consiste à créer une onde harmonique à l’aide de l’enceinte, qui suite à sa réflexion sur la paroi opposée du tube, et donc sur l’échantillon, va devenir une onde stationnaire. Pour déterminer le coefficient d’absorption, il suffit ensuite de calculer le rapport entre le maximum et le minimum de pression dans le tube, à l’aide de formules cependant celle-ci sont très complexes pour être abordées en première.

Expérience de substitution

L’expérience de remplacement que nous avons mis en place se base un peu sur le même principe, mais dans une version beaucoup plus simplifiée, et les résultat seront sans doute moins réalistes.

Voici donc la liste du matériel, le protocole réalisé, un schéma représentant l’expérience et pour finir les résultats obtenus. Le but étant de prouver que les matériaux utilisés en tant que prototype de la neige absorbent le son.

Matériel : - Microphone - Flûte à bec - Logiciel d’exploitation Audacity - Boîte en carton hermétique perçable - Neige artificielle - Glace pilée - Mousse en petite bille - Polystyrène en neige

Schéma représentant le montage de l’expérience

Protocole : • Placer dans le fond de la boîte une épaisse couche du matériau à tester et le disposer de façon homogène. • Fermer la boîte de manière à ce qu’elle soit la plus hermétique possible. • Émettre un son bref dans la boîte avec une flûte à bec. • Noter les résultats, soit le temps de réverbération noté Tr transmis par le micro au logiciel Audacity. • Répéter l’opération avec les autres échantillons ou sans (témoin). • Exploiter les résultats à l’aide des applications de la loi de Sabine.

Photo représentant le matériel utilisé

Si nous réalisions cette expérience avec de la neige, il nous faudrait obligatoirement plusieurs échantillons de neige fraîche homogènes, de structures variées et de porosités différentes afin de pouvoir comparer les résultats et ainsi établir les limites de l’absorption du son par la neige.

Le choix de nos prototypes provient de ces différents critères, comme la forme, la température, la structure, la porosité, l’épaisseur, etc…

Il faudra bien entendu lors de l’exploitation des résultats prendre en compte que la boîte en carton ne garantit pas la réverbération totale du son, ce qui affecte le coefficient d’absorption de chaque matériau. De plus, nous avons admis dans nos calculs que la structure de nos échantillons restait fixe pendant l’excitation acoustique.

Pour réaliser cette expérience, nous avons utilisé trois matériaux différents qui tiendront lieu de neige :

• La mousse, qui est un matériau poreux par la présence de nombreuses cavités d’air et donc l’isolation phonique a été prouvée maintes et maintes fois, notamment pour son utilisation dans l’architecture. Celle dont nous nous sommes servies avait pour avantage d’être sous forme de petites boules, ce qui rapproche un petit peu plus sa forme de celle de la neige. Voici un aperçu du montage réalisé pour déterminer son temps de réverbération.

• Une neige artificielle en polystyrène, qui elle aussi est un matériau possédant quelques propriétés permettant l’absorption du son, puisqu’il est parfois utilisé pour la fabrication de murs anti-bruit. De plus, la structure de la neige artificielle est bien plus proche de la véritable neige que n’importe quel autre matériau, étant donné qu’elle est utilisée à des fins décoratives, et doit donc en imiter l’aspect. Cependant, elle n’a sans doute pas les mêmes propriétés, ce qui pourrait expliquer le fait qu’elle n’absorbe pas aussi bien le son que la neige le ferait.

• Une seconde neige artificielle, dont la composition nous est inconnue, mais qui est beaucoup plus fine que la précédente, et donc plus poreuse.

Au départ, nous avions prévu de réaliser cette expérience avec de la glace pilée et du coton, mais faute de temps, dû au grand nombre de demandes pour le laboratoire de physique, nous n’avons pas pu. Nous aurions aussi pu le faire avec de la neige fraîche, mais malheureusement, celle-ci est tombée une semaine avant la date butoir, et est tombée en tellement grande quantité que nous n’avons pas eu cours.

B. Exploitation

Problème 9 : Quels résultat obtient-on ?

Pour chaque matériau prototype, nous en disposions une épaisse couche (environ 4 cm) au fond de la boîte, et l’une d’entre nous soufflait dans la flûte. Le micro, relié à l’ordinateur, transmettait au logiciel l’enregistrement du son et de son évolution, ce qui nous a permis de déterminer son temps de réverbération. Voici les résultats obtenus : (soit Tr, le temps de réverbération)

Résultat obtenu avec le témoin (boîte vide)

Résultat obtenu avec la mousse

Résultat obtenu avec la neige en polystyrène

Résultat obtenu avec la neige artificielle fine

Il nous faut donc à présent exploiter ces données à l’aide de la loi de Sabine afin de calculer leur coefficient d’absorption et ainsi comparer et prouver l’isolation phonique de ces matériaux. Afin de calculer le coefficient d’absorption de chaque matériau, il nous faut appliquer la formule suivante :

Avec Si la surface en m2 du matériau i de coefficient d’absorption a, avec 0 ≤ α ≤ 1. Si a = 0, le matériau est totalement réfléchissant et à l’inverse, si a = 1, le matériau est totalement absorbant. Cependant, pour obtenir A, il faut employer la formule suivante :

Avec Tr le temps de réverbération, A la surface absorbante équivalente de la boîte en m2 et V le volume de la boîte en m2.

Données : Dimension de la boîte Longueur L = 0,32 m Largeur l = 0,175 m Profondeur = 0,11 m Surface = L x l = 0,056 m2 Volume = L x l x h = 0,00616 m2

Volume = L x l x h = 0,00616 m2

A1 = 0,00616×0,160,018 = 0,0548 m2 A2 = 0,00616×0,160,035 = 0,0282 m2

A3 = 0,00616×0,160,101 = 0,00976 m2 A4 = 0,00616×0,160,094 = 0,0105 m2

α1 = 0,05480,056 = 0,979 α2 = 0,02820,056 = 0,504

α3 = 0,009760,056 = 0,174 α4 = 0,01050,056 = 0,188

A la lecture de ces chiffres, on constate que ceux-ci sont très éloignés des résultats attendus. Il est tout de même possible d’expliquer cet écart énorme entre les valeurs de base et celles que nous avons obtenues. Effectivement, la surface Si du matériau i, qui est la neige artificielle ou la mousse dans notre cas, ne correspond pas à la surface de matériau couvrant la boîte ( soit l’aire recouverte par celui-ci) mais plutôt à celle de chaque morceau de mousse ou bien à chaque flocon de neige factice, ce qui, bien entendu, est impossible à calculer avec le matériel dont nous disposons en laboratoire de physique. Nous pouvons cependant tirer des conclusions des temps de réverbération obtenus. En effet, si l’on compare le temps de réverbération du témoin à ceux de la neige artificielle et de la mousse, on peut déjà prouver que leur présence a un impact plus ou moins fort sur le son. A présent, si l’on compare les résultats obtenus avec la mousse à ceux obtenus avec la neige, on voit que le son met plus de temps à atteindre le microphone lorsque la boîte est tapissée de « neige » que lorsqu’elle est tapissée de mousse. Peut-on alors affirmer que la neige absorbe le son à l’aide de ces mesures ? Sans doute pas, puisque ces affirmations ne sont pas exactes, car les matériaux utilisés sont des prototypes, et non pas de la véritable neige. C. Explication

Problème 10 : Pourquoi la neige absorbe le son ?

Il est affirmé par les scientifiques que la capacité d’absorption d’un matériau poreux dépend de sa structure. Nous n’avons cependant pas encore expliqué si cela était dû à la structure en filigrane du flocon, ou à d’autres caractéristiques de la couche neigeuse, la direction de l’onde sonore incidente ou encore la température de la neige. Nous nous permettons de préciser que ces recherches sont relativement récentes, et donc que quelques mystères persistent et que quelques questions n’ont pas été soulevées. D’après l’IBP report, un des premiers documents cherchant à répondre à la problématique de l’absorption du son par la neige. Lors de mesures très précises sur de très gros échantillons de neige ayant une température variant de -5 à -10°C afin de déterminer leur coefficient d’absorption du son, on a réalisé que les résultats diffèrent très peu. La porosité et la structure de ces échantillons n’étaient pas similaires, mais leur impressionnante homogénéité restait la même. Peut-on donc établir que peu importe la température de la neige, celle-ci a les mêmes propriétés absorbantes ? Cela semble être un raccourci sans doute faux, car si la neige n’est pas récemment tombée, elle n’absorbe pas le son aussi bien que le ferait une couche épaisse fraîchement arrivée. Afin de vérifier la justesse de leurs mesures, les résultats ont été comparé au modèle de Wilson. En effet, pour comprendre les relations entre la microstructure de la neige et l’absorption du son, les mesures tomographiques qui étudient la structure des échantillons ou celles avec le tube de Kundt ne sont pas suffisantes ; il faut des mesures quantitatives, que nous apporte le modèle de Wilson. Il a été supposé ou admis que la structure de la neige reste fixe pendant l’excitation acoustique, dans le but de simplifier les recherches. Le modèle Wilson est utilisé en tant que modèle d’absorption. Les paramètres du modèle ont été déterminés à partir de l’adaptation des données de mesure dans la gamme de fréquence de 400 à 1600 Hz.

Voilà donc deux graphiques comparant les résultats trouvés en laboratoire avec les données du modèle pour deux échantillons de neige, ayant des porosités respectives de 59 % et 88 % :

Graphique comparant les mesures avec le modèle de Wilson

On constate en comparant les courbes de mesure et de calcul qu’elles s’accordent quasiment parfaitement donc on en conclut que les suppositions précédentes s’appliquent. De plus, interprétation graphiques

L’explication de l’absorption des sons par la neige nous est finalement donnée par André Mousset, un physicien qui nous explique que lorsqu’il y a une quantité abondante de neige au sol ou lorsqu’il neige, le son émis par une source se propage. Lorsqu’il entre en contact avec un flocon de neige, l’onde sonore ou l’énergie provoque une agitation des molécules d’air contenu dans le flocon. Cependant, nous savons par définition qu’un matériau poreux est un solide qui a emprisonné des molécules liquides ou gazeuses. Ainsi, ces molécules d’air sont coincées dans les pores du flocon ce qui engendre à cause de l’agitation moléculaire des frottements entre elles et la paroi interne du flocon. Le frottement entre ces deux éléments qui entrent en contact transforme l’énergie cinétique du son (énergie due à un mouvement dans un référentiel) sous forme d’énergie thermique (ou chaleur) et cela freine l’agitation jusqu’à ce qu’elle s’arrête. L’onde sonore est alors en partie absorbée par la neige. Quant à la chaleur produite, il nous explique qu’elle est trop faible pour être mesurée ou pour avoir un quelconque impact sur le flocon de neige. L'absorption et la perte de transmission du son à l'oreille sont indépendants de la direction de propagation des signaux acoustique à travers la neige. Cependant, l’intensité acoustique sera la même peu importe l’endroit où la source sonore terminera sa course. De plus, l’intensité transmise à travers une ou plusieurs strates de neige va différer selon la direction de propagation de l’onde sonore. C’est un phénomène indépendant de l’atténuation de l’énergie sonore, et donc du fait que l’oreille humaine perçoit moins de bruit quand il neige.

IV- MILIEUX

Grâce à notre expérience précédente nous avons réussi à prouver et expliquer que la neige est bien absorbante, cependant avant de comparer le niveau sonore de deux milieux, il faut se demander comment cela se traduit-il en réalité ?

A. Application à la réalité

Problème 11 : Est-ce-que lorsque la météorologie est neigeuse ou même simplement la présence de neige au sol a vraiment un impact audible dans l’absorption les sons ? Ou est-ce que l’absorption sonore est trop faible pour que l’on voie une différence?

Pour répondre à cette question nous avons réalisé une expérience : Nous voulions montrer la présence de neige absorbe suffisamment les sons pour que la différence entre les deux ait un impact audible pour l’homme, c’est-à-dire que la différence niveau sonore entre un milieu avec de la neige et un sans neige, soit suffisamment importante. Pour cela nous avons enregistré un signal sonore émit 10 mètres plus loin dans un milieu avec une couche importante de neige puis un second dans un milieu avec très peu de neige voire quasiment pas. On compare les résultats grâce à Audacity, un logiciel pour étudier les sons. Nous nous attendons à observer une différence de niveau sonore entre les deux enregistrements. Nous préciserons tout de même que les résultats seront peu précis car nous n’avons pas pu utiliser du matériel professionnel.

B. Comparaison de deux milieux

Problème 12 : Pourquoi y a-t-il une différence de niveau sonore entre deux milieux différent dans les mêmes conditions climatiques : la montagne et la ville ?

Nous allons comparer de manière théorique le niveau sonore de deux milieux : la ville et la haute montagne (domaine skiable), le tout recouvert de neige. Ces deux milieux sont opposés, la montagne est moins anthropisée que la ville car la ville est notre lieu de domicile alors que la montagne est un lieu d’activités saisonnières comme le ski ou bien la randonnée. Nous allons étudier les différences sonores en fonction de différents facteurs et déterminer leur impact sur le son : • la pression, • l’altitude, • la température, • la raréfaction de l’air,

Nous considérons l’air comme un gaz parfait car les molécules qui le composent sont suffisamment éloignées pour qu’il n’y ait pas de contact entre elles. Donc nous pouvons utiliser la loi des gaz parfaits : 𝑃𝑉 = 𝑛𝑅𝑇 où P est la pression en Pascal (Pa), V le volume occupé par le gaz en m³, n le nombre de mole de gaz en mole (mol), R est la constante universelle des gaz parfait égale à 8,3144621E0 J.mol⁻¹.K⁻¹ et enfin T la température en Kelvin (K). On sait que la pression qui correspond à la masse de la colonne d’air au-dessus d’un point, est plus faible en altitude qu’au niveau de la mer car plus on s’élève plus la masse de la colonne d’air diminue. On peut donc grâce à la loi de gaz parfaits déduire P = (n x R x T) / V et on constate que si P diminue, V augmente. L’air est donc plus dilater en altitude à cause de la pression, c’est à dire qu’il occupe un plus grand volume et que les atomes qui le composent sont plus éloignés les uns des autres. Or nous savons que plus un milieu est condensé, plus la propagation du son est importante. On en déduit alors qu’en altitude le son se propage moins rapidement car le milieu est moins condensé qu’au niveau de la mer. De plus lorsque nous sommes en altitude, la température est faible par rapport au niveau de la mer bien que nous sachions que la chaleur remonte du fait de la légèreté de l’air chaud comparé à l’air frais. Ce phénomène est lié à la pression selon Météosuisse, plus elle diminue, plus la température diminue elle-aussi. Nous pouvons expliquer cela selon eux par le fait que les rayons du soleil chauffent la croûte terrestre qui renvoie par la suite un rayonnement dans l'atmosphère qui l’absorbe plus ou moins en fonction de sa teneur en vapeur d’eau ce qui va permettre de réchauffer l'atmosphère et qui va à son tour renvoyer un rayonnement. Lorsque l’altitude croît, la pression diminue ce qui réduit la quantité de vapeur d’eau dans l’atmosphère et par conséquent fait décroître sa température. Or plus la température diminue, plus le son se propage lentement. On en conclut de nouveau que plus l’altitude est importante, plus l’onde sonore va lentement.

Lors que nous sommes en hautes altitudes, nous rencontrons des difficultés respiratoires dues à la raréfaction de l’oxygène (O₂). En effet en altitude, la pression diminue et le gaz occupe un plus grand volume. Chaque respiration contiendra donc moins de dioxygène pour un volume identique qu’au niveau de la mer ce qui cause une difficulté pour respirer et une sensation d’étouffement : c’est un phénomène appelé “l’hypoxie”, cependant notre corps régule ce problème grâce à une augmentation de la fréquence d’inspiration et d’expiration pour compenser l’oxygène manquant et à une accélération du rythme cardiaque pour permettre le transport d’une quantité plus importante d’O₂ à notre organisme. Il en est de même pour les autre gaz de l’air, ils sont raréfiés. Or il y a un lien étroit entre le volume de gaz et la raréfaction de l’air en altitude : En altitude, plus le volume est grand, c’est à dire plus les molécules sont éloignés les unes des autres, plus un volume précis sera pauvre en molécules ou en quantité de gaz comparer au même volume au niveau de la mer. On en déduit que plus l’air est raréfié par rapport à la surface, plus la propagation de l’onde sonore par le contact de ses molécules sera lente.

Pour ces facteurs nous arrivons à la conclusion que le son se propage plus lentement en altitude donc dans notre milieu correspondant à la montagne qu’au niveau de la mer, le milieu qui correspond à la ville. De plus il y a une quantité de structures plus importante en ville que sur le domaine skiable, ce qui modifie la perception du son. En effet les structures permettent la réflexion du son ce qui induit des phénomènes différents en fonction de la vitesse du son. Si le son que nous émettons nous revient rapidement et que nous ne parvenons pas à dissocier l’émission et la réception, nous observons un phénomène de réverbération soit une résonnance. Ce phénomène se produit lorsque la source du son et une paroi sont assez proche et que l’onde sonore va vite. C’est le cas en ville bien qu’elle soit recouverte de neige. Si le son que nous émettons nous revient moins rapidement et qu’il nous est possible de dissocier les deux, on parle d’un phénomène d'écho. Cela se produit lorsque la source sonore et la paroi sont trop éloignées ou lorsque le son se propage moins vite comme c’est la cas en montagne. De plus en montagne, celle-ci est assez escarpée, peu lisse ce qui produit lors d’une reflexion, une diffusion du son qui se propage donc dans toute les directions ce qui contribue à une perte d’intensité sonore. Il faut aussi prendre en compte la perte d’intensité lorsque le son se propage en ligne droite car il y a plus d’espace en montagne. Tout cela participe en plus de la neige à réduire le niveau sonore en montagne. Ainsi dans de même conditions climatiques, le niveau sonore en montagne est réduit par comparaison à la ville.

C. Différence due aux activités humaines

Problème 13 : Les activités humaines sont-elles un impact dans le milieu sonore ?

Bien que nous observions déjà des différences sonores entre la ville et la montagne, il faut prendre en compte les activités humaines. En effet, la haute montagne est un lieu où les activités humaines sont limitée par les horaire d’ouverture du domaine skiable : ski, remontées mécaniques, restaurants d’altitude qui sont disponibles uniquement dans la journée. Le niveau sonore est donc peu important par comparaison à la ville qui est en général bien plus peuplés que les stations de ski et où les activités humaines sont possibles même de nuit : déplacements en voiture, restaurants, promenades, etc… De plus en présence de neige, les températures sont souvent faibles voire négatives ce qui invitent les personnes à rester chez eux s'ils le peuvent ou à limiter leurs déplacements en voiture au profit des transports en commun pour libérer les axes routiers. En effet en présence de neige, les routes deviennent peu praticables voir glissantes si il y a du verglas ce qui poussent pour la sécurité de tous à utiliser de vitesses modérés permettant un freinage sans danger et à éviter les arrêt car le redémarrage dans la neige est souvent un peu compliqué. Ces mesures de sécurité ont tendance lors de forte affluence à boucher les routes. Ainsi les vrombissements de moteurs dus à une accélération du véhicule pour prendre de la vitesse sont souvent moins présents bien que nous les retrouvons tout de même lorsque le véhicule est à l’arrêt et tente de redémarrer. Ainsi la réduction de la vitesse des véhicules ou l’utilisation de transports en commun permet en ville, une réduction du niveau sonore. Cependant en station de ski, la proximité des commerces avec les lieux de résidence et la population bien plus faible qu'en ville permet un niveau sonore encore plus réduit car cela limites les déplacements en voiture. Cependant nous parlons ici du domaine skiable où les déplacements se font en téléski ou télécabine, ce qui est bien plus silencieux car la source du son est plus éloignée des pistes. En plus lors des déplacements à pied, la neige amortit les pas ce qui réduit encore plus les sons.

CONCLUSION

En conclusion, nous pouvons affirmer que l’absorption du son par la neige est bel et bien réelle, et provient des nombreuses caractéristiques de sa formation et de sa structure, ainsi que des conditions environnementales. Il est important de notifier que cette problématique est encore en phase de recherche, car elle pourrait permettre une grande avancée technologique, dans la construction des bâtiments par exemple. En effet, un isolant phonique idéal doit non seulement absorber les sons, mais doit aussi être non odorant, écologique, non toxique, peu cher, facilement recyclable, etc… Afin de mettre au point un matériau ayant les mêmes caractéristiques que la neige (telles que sa microstructure) qui offrent une solution quasi-parfaite en matière d'isolation phonique, le défi serait d'utiliser des matériaux écologiques, peu énergivores et durable. Par curiosité, nous avons interrogé des personnes à ce sujet : 60 % d’en elles ne savait pas que la neige absorbait les sons, ce qui montre que cette question n’a pas encore été beaucoup soulevée ou qu’ils n’y ont jamais prêté attention. Cependant nous savons que la majorité des réponses nous ont été données par des jeunes de moins de 18 ans, ainsi il est possible qu’ils ne connaissent pas encore ce fait contrairement à des personnes plus âgées

ANNEXE

Nous avons réalisé un sondage à ce sujet où nous demandions l’âge de la personne et si elle savait que la neige absorbe les sons. Ce sondage est anonyme, ce qui garantit à tous que leurs réponses seront utilisées en respectant la confidentialité. Texte en gras