Pourquoi le son d'une ambulance
baisse-t-il juste après son passage ?
Le son de la sirène tombe soudain de « pin-pon » à « peeen-pon » à l'instant où elle vous dépasse. Ce n'est pas l'ambulance qui change de son. Ce qui change, c'est l'espacement des ondes sonores qui vous parviennent. Et ce même principe nous a permis de découvrir que l'univers est en expansion.
Une ambulance approche au loin. On entend la sirène. Tant qu'elle approche, la hauteur du son change à peine. Le son devient plus fort peu à peu, mais sa hauteur reste constante.
Puis, à l'instant où elle vous dépasse. Le son chute brusquement. Ensuite, il reste grave, constant.
Cette forme « constant → chute brutale → constant » est essentielle. Si l'ambulance changeait elle-même la hauteur de son, ce changement ne serait pas aussi abrupt. Le conducteur n'appuie pas non plus sur un bouton à cet instant précis.
Ce qui a changé, ce n'est pas le son lui-même, mais votre position relative par rapport à l'ambulance.
Le son est une onde qui se propage dans l'air. Quand la source se dirige vers vous, elle avance elle-même avant d'émettre l'onde suivante, ce qui resserre l'espacement des ondes. Espacement resserré = son aigu.
À l'inverse, en s'éloignant, elle s'écarte avant d'émettre l'onde suivante, donc l'espacement s'élargit. Espacement élargi = son grave. C'est pourquoi la hauteur bascule avant et après le passage.
Le son émis par la source reste identique du début à la fin. Seule sa réception change. Voyons cela en détail.
Pourquoi le son ne devient-il pas « progressivement » plus aigu ?
C'est le point le plus souvent mal compris. On imagine volontiers qu'en approchant, le son devient de plus en plus aigu. Ce n'est pas le cas.
Ce qui détermine le degré de compression des ondes, c'est la vitesse à laquelle la source se rapproche de vous. Tant qu'elle roule droit vers vous à vitesse constante, cette vitesse ne change pas. La hauteur du son ne change donc pas non plus. Le volume augmente à mesure qu'elle approche, mais la hauteur reste constante.
Le changement survient au moment où la composante d'approche diminue — c'est-à-dire au passage devant vous. À l'instant précis où elle est juste à côté, elle n'approche ni ne s'éloigne, on entend donc la hauteur réelle du son. Puis, après le passage, elle bascule du côté de l'éloignement.
Cette forme « constant → chute brutale → constant » (bas de la figure 1) est la signature de l'effet Doppler. En écoutant cette variation, on peut savoir à quelle vitesse roulait le véhicule et à quel moment il est passé juste à côté.
Seule a changé votre position relative par rapport à la source.
De combien ça change, au juste ? Faisons le calcul
Les sirènes des ambulances japonaises émettent, dans leur registre aigu, un son d'environ 960 hertz. Calculons pour une vitesse de 60 km/h.
| Son réel (véhicule à l'arrêt) | 960 Hz |
| En approchant | env. 1 010 Hz (aigu) |
| En s'éloignant | env. 915 Hz (grave) |
| Variation au passage | rapport d'environ 1,10 = environ 1,7 demi-ton en musique |
※ Ces valeurs varient selon la vitesse, la température et le type de sirène. Ce sont des ordres de grandeur.
1,7 demi-ton, c'est à peu près une touche blanche sur un piano. Ce n'est pas énorme, mais c'est une différence nettement perceptible. Nos oreilles distinguent facilement un tel écart.
Plus la vitesse est élevée, plus l'écart grandit. C'est pourquoi la chute de hauteur au passage d'un train à grande vitesse est si spectaculaire.
Une ambulance qui s'approche de vous, ou vous qui vous approchez d'une ambulance : le résultat semble identique. Pourtant, la hauteur perçue diffère légèrement, à y regarder de près.
La raison : le son se propage grâce à un « support », l'air. Ce qui compte, c'est qui se déplace par rapport à l'air. Si c'est la source qui bouge, c'est l'espacement des ondes lui-même qui change ; si c'est l'auditeur qui bouge, c'est le nombre d'ondes reçues qui change. Ça se ressemble, mais ce n'est pas le même phénomène.
Cette différence disparaît avec la lumière. La lumière n'a pas besoin d'un support comme l'air, donc distinguer « qui bouge » n'a plus de sens. Ce constat a été l'un des déclencheurs de la théorie de la relativité.
Ce même principe est utilisé ici
- Contrôle de vitesse routière ― on envoie une onde radio vers un véhicule et on déduit sa vitesse du resserrement de l'onde renvoyée. Ce sont des ondes radio, pas du son, mais le principe est le même.
- Radar météorologique ― on envoie des ondes radio vers les gouttes de pluie pour savoir si elles se rapprochent ou s'éloignent. Utilisé pour détecter les tornades et les courants ascendants violents.
- Examens du cœur et des vaisseaux sanguins ― on envoie des ultrasons pour mesurer le sens et la vitesse du flux sanguin. Vous avez peut-être déjà vu ces images colorées lors d'un bilan de santé. La couleur indique le « sens » du flux.
- Recherche de planètes hors du système solaire ― tiré par une planète, une étoile oscille légèrement, et la couleur de sa lumière se décale périodiquement. En lisant cette oscillation, on détecte l'existence de planètes invisibles.
- Découverte de l'expansion de l'univers ― la lumière des galaxies lointaines était systématiquement décalée vers le côté « espacement étiré ». Et plus une galaxie était lointaine, plus le décalage était grand. On en a conclu que l'univers entier est en expansion.
Le son de l'ambulance et l'expansion de l'univers. Reliés par exactement le même raisonnement.
Ce qu'on peut vérifier en ville
- Attendez sur un trottoir sûr qu'une sirène d'ambulance ou de pompiers approche
- Vérifiez que la hauteur du son ne change pas pendant l'approche (le volume, lui, augmente)
- Fermez les yeux et dites « maintenant » à l'instant où le son chute
- Ouvrez les yeux et vérifiez où se trouvait le véhicule à ce moment-là. Il devrait être presque exactement à votre hauteur
- Si vous avez une application d'analyse de fréquence sur smartphone, relevez les valeurs avant et après le passage
Le son seul permet de deviner l'instant où un véhicule passe juste à côté de vous. Connaître une position sans les yeux, c'est une expérience un peu étrange. ※ Ne vous approchez pas de la chaussée. Restez sur le trottoir, sans gêner la circulation des véhicules d'urgence.
En résumé
Si le son d'une ambulance baisse juste après son passage, c'est parce que la source qui approche compresse les ondes, et celle qui s'éloigne les étire. Le son lui-même reste identique ; seule sa réception change.
En lisant ce « resserrement des ondes »,
l'humanité a découvert que l'univers est en expansion.
Au-delà de la hauteur du son, sa « direction d'origine » aussi est une information construite par celui qui écoute. Ce mécanisme est expliqué dans Pourquoi peut-on dire d'où vient un son même les yeux fermés ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège jusqu'aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est indiqué
- Collègece qu'on apprend en sciences au collège
- Lycéece qu'on apprend en physique au lycée
- Lycée+physique de lycée avancée, ou contenu complémentaire des manuels
- Universiténon enseigné au lycée : matières spécialisées universitaires (relativité, astronomie)
- Recherchepas encore établi comme « fait acquis » même à l'université — sujet en cours d'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : les mots du son et des ondes
- Fréquence : nombre de vibrations par seconde. Unité : le hertz (Hz). Plus elle est élevée, plus le son est aigu.
- Longueur d'onde : distance entre deux crêtes successives de l'onde. C'est le « resserrement des ondes » évoqué dans le texte. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence.
- Vitesse du son : environ 340 mètres par seconde dans l'air (à 15 °C). Elle augmente avec la température (environ 0,6 m/s par degré).
- Effet Doppler : le nom du phénomène décrit dans cet article. Proposé en 1842 par le physicien autrichien Doppler.
- Décalage vers le rouge : décalage de la longueur d'onde de la lumière vers le côté étiré (le rouge). Il se produit pour les astres qui s'éloignent.
LycéeVérifions par le calcul : de combien de Hz varie le son de l'ambulance ?
Le texte disait « plus aigu en approchant, plus grave en s'éloignant ». On peut calculer précisément l'ampleur du changement. Il ne faut qu'une division.
f′ ＝ f × V ÷ (V − v)
| f′ hauteur perçue | en Hz (hertz) |
| f hauteur propre de la sirène | en Hz |
| V vitesse du son | env. 340 m/s |
| v vitesse d'approche de la source | en m/s |
Voici comment lire cette formule : plus la source approche, plus le dénominateur se réduit. Un dénominateur plus petit donne un résultat plus grand, donc un son plus aigu. En s'éloignant, le dénominateur devient V ＋ v, et le son devient donc plus grave.
Pourquoi au dénominateur ? Parce que la source qui vous rattrape resserre l'espacement entre les ondes. C'est cette position dans la formule qui représente ce « resserrement ».
| Hauteur de la sirène | f ＝ 960 Hz |
| Vitesse de l'ambulance | 60 km/h |
| Conversion en m/s | 60 ÷ 3,6 ≒ 16,7 m/s |
| En approchant : dénominateur | 340 − 16,7 ＝ 323,3 |
| On substitue | f′ ＝ 960 × (340 ÷ 323,3) ≒ 1010 Hz |
| En s'éloignant : dénominateur | 340 ＋ 16,7 ＝ 356,7 |
| On substitue | f′ ＝ 960 × (340 ÷ 356,7) ≒ 915 Hz |
| Écart au moment du croisement | 1010 − 915 ＝ 95 Hz |
95 Hz, exprimé en rapport, ça donne 1010 ÷ 915 ≒ 1,10, soit environ 10 %. Une variation de 10 % en hauteur correspond, dit-on, à environ un ton et demi sur un piano. C'est une différence clairement audible.
L'important, c'est que ce changement ne se fait pas « progressivement », mais « au moment précis du croisement ». Pendant toute l'approche, c'est 1010 Hz en continu ; après le passage, c'est 915 Hz en continu. L'impression de baisse progressive ne dure que le bref instant du passage juste à côté.
La formule elle-même explique pourquoi. Seule la composante de vitesse dirigée vers vous entre dans v. Au moment où le véhicule est juste à côté, cette composante d'approche devient un instant nulle. D'où le basculement soudain.
Même s'il s'agit dans les deux cas d'un « rapprochement », la forme de la formule change selon que c'est la source ou vous-même qui vous déplacez.
| La source approche à la vitesse v | f′ ＝ f × V ÷ (V − v) …le dénominateur change |
| Vous approchez à la vitesse u | f′ ＝ f × (V ＋ u) ÷ V …le numérateur change |
Dans les deux cas, le son devient plus aigu, mais les mêmes valeurs numériques ne donnent pas le même résultat. En calculant les deux cas avec 34 m/s (10 % de la vitesse du son), la source en mouvement donne 340 ÷ (340 − 34) ＝ 1,111 fois, tandis que l'auditeur en mouvement donne (340 ＋ 34) ÷ 340 ＝ 1,100 fois. Un léger écart apparaît.
Cet écart vient du fait que « le son se propage dans l'air ». Ce qui compte, c'est qui se déplace par rapport à l'air. C'est ce que le texte évoquait en disant « ça se ressemble, mais ce n'est pas pareil ».
Lycée+Que se passe-t-il en dépassant la vitesse du son ?
Observez le dénominateur V − v de la formule. Quand la vitesse de la source v se rapproche de la vitesse du son V, le dénominateur tend vers zéro, et la fréquence diverge.
Cela ne signifie pas « un son infiniment aigu », mais que la formule cesse d'être valable à ce point. En réalité, quand la source atteint la vitesse du son, les ondes ne peuvent plus s'échapper vers l'avant et s'accumulent en une seule onde de forte intensité. C'est l'onde de choc.
En volant plus vite que le son, cette onde de choc se propage en forme de cône et balaie le sol. Le claquement qu'on entend au passage de cette onde s'appelle le bang supersonique. C'est l'une des raisons pour lesquelles les avions supersoniques ne peuvent pas voler au-dessus des zones urbaines.
UniversitéAvec la lumière, tout change
Le son se propage dans l'air, donc « qui se déplace par rapport à l'air » avait un sens. Mais la lumière n'a pas besoin de support. Distinguer la source de l'observateur perd alors son sens, et tout se réduit à leur vitesse relative.
La formule de l'effet Doppler relativiste, dans le cas d'un éloignement, s'écrit f′ = f √((1−β)/(1+β)) (β = v/c). Quand la vitesse est très petite devant celle de la lumière, elle se rapproche de la forme utilisée pour le son.
Ce qui est fascinant, c'est que même au passage exactement à côté, la fréquence se décale. Pour le son, juste à côté, il n'y avait ni approche ni éloignement, donc aucun décalage. Mais pour la lumière, comme l'écoulement même du temps diffère, un décalage vers le rouge se produit même dans la direction transversale. Cet effet Doppler transversal a été confirmé expérimentalement, et constitue l'une des preuves directes de la dilatation du temps.
En astronomie, cet effet devient un moyen de mesurer les distances. Le fait que les galaxies lointaines présentent un décalage vers le rouge d'autant plus grand qu'elles sont lointaines (loi de Hubble-Lemaître) constitue le fondement de l'expansion de l'univers. Mais à strictement parler, le décalage vers le rouge des galaxies lointaines vient moins du fait que « la galaxie se déplace dans l'espace » que du fait que « l'espace lui-même s'étire » — le sens en est différent du cas de l'ambulance.
RechercheCe qui n'est pas encore tranché
- La valeur de la vitesse d'expansion de l'univers diffère selon la méthode de mesure. Entre la mesure via des astres proches et le calcul à partir de la lumière émise peu après la naissance de l'univers (le fond diffus cosmologique), les valeurs divergent de quelques pour cent. À mesure que la précision des mesures s'améliore, cet écart devient de plus en plus difficile à expliquer par de simples erreurs. On parle de tension de Hubble, et le débat se poursuit quant à l'existence éventuelle d'une physique inconnue. C'est l'une des controverses les plus vives de la cosmologie actuelle.
- La précision de la recherche d'exoplanètes se heurte à l'étoile elle-même. L'oscillation d'une étoile causée par une planète est de l'ordre de quelques mètres par seconde ou moins (à peu près la vitesse de marche d'une personne), et on la détecte par le décalage de couleur de la lumière. Mais la surface des étoiles comporte des taches et des mouvements de convection, qui produisent des variations de vitesse apparente du même ordre de grandeur. Le principal défi pour détecter avec certitude des planètes semblables à la Terre est d'éliminer ce « bruit stellaire », et aucune méthode définitive n'existe encore.
- Même la perception du son au quotidien n'est pas simple. Dans une ville réelle, le vent, les couches de température et les réflexions sur les bâtiments s'ajoutent au phénomène. Quand la température diffère entre le sol et l'altitude, le trajet du son se courbe, si bien qu'un son lointain est parfois audible, parfois non. Prévoir avec précision la propagation du bruit reste, aujourd'hui encore, un sujet de recherche pour l'urbanisme et les zones autour des aéroports.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Où dans cet article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences ・ propriétés du son (fréquence et hauteur) / vitesse du son | Resserrement et étirement des ondes, perception au passage |
| Lycée | Physique ・ ondes (effet Doppler) | Les 4 formules, le calcul pour l'ambulance |
| Lycée+ | Physique ・ ondes avancées (onde de choc) | Sens du dénominateur qui tend vers zéro, bang supersonique |
| Université | Relativité restreinte ・ astronomie | Effet Doppler relativiste, effet Doppler transversal, décalage vers le rouge |
| Recherche | Cosmologie ・ exoplanètes (non résolu) | Tension de Hubble, bruit dû à l'activité stellaire |
| ― | Médecine ・ météorologie ・ transport | Échographie, radar météorologique, contrôle de vitesse |
- Doppler, C., Über das farbige Licht der Doppelsterne, 1842 (proposition initiale).
- Hubble, E., A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae, PNAS 15(3), 168–173, 1929.
- Riess, A. G. et al. et la collaboration Planck, séries de rapports sur la mesure de la constante de Hubble (les divergences de valeurs font débat).
- Ives, H. E. & Stilwell, G. R., An Experimental Study of the Rate of a Moving Atomic Clock, JOSA 28, 215–226, 1938 (vérification de l'effet Doppler transversal).
- Normes relatives au son des sirènes des véhicules d'urgence japonais et documentation des différents fabricants.
※ Les valeurs de fréquence des sirènes et de vitesse du son varient selon le modèle et la température. Cet article présente des ordres de grandeur couramment utilisés.
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Lors de l'observation, ne vous approchez pas de la chaussée. Faites-le depuis un endroit sûr, sans gêner la circulation des véhicules d'urgence. Les valeurs chiffrées indiquées sont des repères destinés à faciliter la compréhension du phénomène.