Cache-cache : pourquoi voit-on disparaître un corps, mais jamais une voix ?
― Le son contourne les angles, la lumière non
Le son et la lumière appartiennent tous deux à la famille des « ondes ». Pourtant, le son contourne les obstacles pour nous parvenir, alors que la lumière en est incapable. Cette différence ne tient pas à une supériorité d'une onde sur l'autre, mais uniquement au rapport entre la longueur de l'onde et la taille de ce qui cache.
Un enfant joue à cache-cache. Accroupi derrière le canapé, il est totalement invisible. Pourtant, son « pas encore ? » s'entend parfaitement.
Même chose quand on ferme la porte d'entrée. À travers le verre dépoli, on ne distingue plus les silhouettes, mais les voix du dehors passent quand même.
On peut cacher un corps, pas une voix. Si un enfant demande « pourquoi ? », la réponse n'est pas si simple.
La réponse tient à la comparaison de deux chiffres
Une onde ne va pas forcément tout droit. En passant par une ouverture ou le bord d'un objet, ce point devient comme un nouveau point de départ, d'où l'onde se remet à se propager sur les côtés. Le son comme la lumière possèdent cette propriété, à parts égales.
Mais on ne contourne pas indéfiniment. L'ampleur du contournement est de l'ordre de la longueur d'onde elle-même. Celle du son fait environ 2 m, celle de la lumière environ 0,0005 mm. Cet écart explique tout.
Autrement dit, si le son et la lumière se comportent différemment, ce n'est pas parce que leur nature diffère. C'est parce qu'une même sorte d'onde se heurte, par rapport à sa propre taille, à des obstacles d'échelles totalement différentes. Voyons cela dans l'ordre.
Une onde s'étale latéralement dès qu'elle franchit une ouverture
Imaginons une onde qui avance tout droit et traverse une ouverture dans une clôture. En sortant de cette ouverture, elle ne continue pas uniquement tout droit. L'ouverture elle-même devient comme une nouvelle source, d'où l'onde s'étale en éventail.
Ce phénomène — une onde qui contourne un obstacle — s'appelle la diffraction. On l'observe aussi à la surface de l'eau : une vague qui passe par une brèche dans une digue s'étale ensuite en cercles de l'autre côté.
Regardez la figure 1. À gauche, le son ; à droite, la lumière. Une même ouverture de 80 cm de large, une onde qui entre de la même façon. Et pourtant, ce qui en ressort n'a plus rien de commun.
Pourquoi un tel écart dans l'étalement ?
Ce qui détermine l'ampleur de l'étalement, c'est la longueur d'onde divisée par la largeur de l'ouverture. Plus cette valeur est grande, plus l'étalement est important.
La longueur d'onde d'une voix humaine va d'environ 0,5 m à 3 m. Une ouverture de porte ou de clôture ordinaire mesure au plus environ 1 m. Pour le son, l'ouverture est donc de taille comparable, voire plus petite que lui-même. Une onde qui traverse un petit trou s'étale vigoureusement dans toutes les directions. C'est pourquoi la voix atteint même quelqu'un caché derrière un mur.
La lumière visible, elle, n'a qu'une longueur d'onde d'environ 0,0005 mm. La même ouverture de 80 cm représente pour elle 1 600 000 fois sa propre taille. Pour une lumière qui la traverse, cette ouverture n'est plus une « ouverture » : c'est comme une plaine sans limites. Il n'y a tout simplement pas, relativement, de place pour s'étaler. Résultat : la lumière avance presque tout droit et produit une ombre bien nette.
En examinant de près le bord d'une ombre, on voit que la limite n'est pas parfaitement nette comme en mathématiques : elle est légèrement floue. C'est la trace du contournement de la lumière. Si on fait passer la lumière par une fente aussi fine qu'un cheveu, on observe bien un étalement en franges. La lumière ne refuse pas de se courber : sa courbure est simplement trop faible pour qu'on la remarque.
Plus une onde est longue, plus elle contourne largement. Pour une même voix, les composantes graves, ayant une plus grande longueur d'onde, contournent mieux l'ombre d'un bâtiment. Le fait que, dans la musique venue de la pièce voisine, les aigus disparaissent alors que subsiste seulement le « boum-boum » grave s'explique par le même principe.
En résumé
Le son et la lumière sont tous deux des ondes capables de contourner les ouvertures et les bords des objets. Seule diffère la longueur de l'onde elle-même. Pour la voix, un meuble ou une porte n'est qu'un « petit caillou de sa propre taille », qu'elle contourne aisément. Pour la lumière, c'est une « plaine 1 600 000 fois plus grande », qu'elle ne peut que traverser tout droit. Voilà pourquoi on peut cacher un corps, mais jamais une voix.
Ce n'est pas le corps qui se cache, mais seulement quelque chose qui existe pour la lumière.
Du point de vue du son, cet obstacle n'a jamais existé.
Le contournement du son est aussi profondément lié à la façon dont il porte au loin. La raison pour laquelle les sons lointains s'entendent mieux la nuit est expliquée dans Pourquoi entend-on mieux les sons lointains la nuit ?, et le phénomène du son qui revient en écho après un délai dans Pourquoi l'écho en montagne nous parvient-il avec un léger retard ?. Le fait que la différence de contournement entre les deux oreilles crée le sens de la direction est traité dans Pourquoi peut-on dire d'où vient un son même les yeux fermés ?.
- Faites jouer de la musique sur un smartphone posé sur une table. Sortez de la pièce, laissez la porte entrouverte, tenez-vous dans le couloir, puis déplacez-vous latéralement jusqu'à ce que le smartphone ne soit plus visible. Le corps disparaît, mais le son arrive toujours clairement.
- Réduisez ensuite progressivement l'ouverture de la porte. Le volume baisse, mais l'étalement directionnel du son perçu augmente plutôt. Plus l'ouverture est petite, plus l'onde s'étale largement.
- Au même endroit, comparez aussi la lumière visible. La lumière qui filtre par l'ouverture ne forme au sol qu'une bande fine et nette, sans s'étaler sur les côtés. Une même ouverture, mais un comportement radicalement différent entre son et lumière — on le ressent directement.
Réglez le volume modérément et faites cet essai à une heure qui ne dérange ni le voisinage ni la famille.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les manuelsDu collège jusqu'aux matières universitaires spécialisées, chaque niveau est indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de physique-chimie du lycée
- Lycée+Approfondissement lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéNon enseigné au lycée : matière universitaire spécialisée (optique ondulatoire, acoustique)
- RecherchePas encore une « vérité établie », même à l'université : sujet actuellement étudié par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Diffraction : phénomène par lequel une onde, en passant par le bord d'un obstacle ou une ouverture, s'étale de l'autre côté. Cela se produit pour le son, la lumière, comme pour les vagues à la surface de l'eau.
- Longueur d'onde : distance entre deux crêtes successives d'une onde. Unité : le mètre. C'est ce que cet article a appelé « longueur de l'onde ».
- Principe de Huygens : façon de considérer que chaque point d'un front d'onde devient lui-même source d'une nouvelle onde. Ce seul principe explique pourquoi l'onde s'étale en éventail à la sortie d'une ouverture.
CollègeLycéeVérification par le calcul : de combien de fois l'ouverture le son et la lumière diffèrent-ils
La longueur d'onde s'obtient en divisant la vitesse par le nombre de vibrations par seconde. Calculons combien de fois plus grande la même ouverture paraît, respectivement, au son et à la lumière.
| Vitesse du son dans l'air | environ 340 mètres par seconde |
| Fréquence d'une voix d'adulte grave | environ 170 vibrations par seconde |
| Vitesse de la lumière dans le vide | environ 300 000 000 mètres par seconde |
| Fréquence de la lumière verte | environ 600 000 000 000 000 vibrations par seconde |
| Largeur de l'ouverture de la porte | 0,8 mètre |
| Longueur d'onde de la voix | 340 ÷ 170 = 2 |
| L'ouverture, en multiples de la longueur d'onde de la voix | 0,8 ÷ 2 = 0,4 |
| Longueur d'onde de la lumière | 300 000 000 ÷ 600 000 000 000 000 = 0,0000005 |
| L'ouverture, en multiples de la longueur d'onde de la lumière | 0,8 ÷ 0,0000005 = 1 600 000 |
Toutes les longueurs sont en mètres. Pour la voix, l'ouverture n'est qu'un « petit trou » de 0,4 fois sa propre taille. Pour la lumière, c'est une « plaine » 1 600 000 fois plus grande. Une même porte apparaît ainsi radicalement différente selon l'onde considérée. L'étalement par diffraction est d'autant plus grand que ce rapport est petit.
LycéeLycée+L'angle d'étalement se déduit d'une simple division
LycéeL'angle d'étalement d'une onde qui traverse une ouverture de largeur donnée est déterminé, à peu de choses près, par la longueur d'onde divisée par la largeur de l'ouverture. Si cette valeur est proche de 1, l'onde s'étale presque dans toutes les directions. Si elle est très inférieure à 1, l'étalement devient négligeable.
Lycée+Pour la lumière, cette valeur est de 1/1 600 000. Même après 10 mètres de propagation, l'étalement latéral n'atteint qu'environ 0,01 millimètre — moins d'un dixième de l'épaisseur d'un cheveu, à peine perceptible comme un léger flou de l'ombre. À l'inverse, pour la voix, cette valeur dépasse 1, ce qui remplit de son tout l'espace derrière l'ouverture.
UniversitéPourquoi le mot « ombre » n'est qu'une approximation
À l'université, on traite l'étalement d'une onde en sommant les contributions de tous les points de l'ouverture. Dans ce cadre, une part de l'onde pénètre toujours, en principe, à l'intérieur de l'ombre géométrique ; le bord de l'ombre ne peut jamais être parfaitement net. S'ajoute aussi une composante qui se propage le long de la surface après avoir contourné le bord de l'obstacle, et ce terme compte réellement dans les calculs précis d'atténuation du son dans l'ombre d'un bâtiment. Ce que le langage courant appelle « ombre » n'est donc que le nom d'une approximation, valable lorsque la longueur d'onde est suffisamment courte.
RechercheCe qui reste encore mal compris
- Comment le son contourne les obstacles en milieu urbain. Dans un tissu urbain complexe, le trajet d'un son qui contourne de multiples fois les bâtiments échappe aux formules simples. C'est un enjeu directement lié à la conception des murs antibruit, et les méthodes de calcul continuent d'être améliorées.
- Peut-on contrôler artificiellement le contournement des ondes ? Des recherches utilisant des matériaux à structure fine cherchent à orienter le contournement des ondes dans des directions inhabituelles. Jusqu'où cela pourra être fabriqué à une échelle pratique reste en cours de développement.
- Comment l'oreille interprète-t-elle un son qui a contourné un obstacle ? Une voix entendue depuis une zone d'ombre perd ses composantes aiguës et change de timbre. Pourtant, on parvient tout de même à en deviner approximativement la direction, sans que l'on sache exactement quels indices le cerveau utilise.
Autrement dit, le contenu de cet article reste « une explication dans l'état actuel des connaissances ». Plus un phénomène est familier, plus ses détails restent, souvent, un objet de recherche.
Lien avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / chapitre | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences — propriétés du son et de la lumière | Le contraste entre le son qui contourne et la lumière qui va tout droit |
| Lycée | Physique — propriétés des ondes, diffraction | Le rapport longueur d'onde / largeur d'ouverture qui détermine l'étalement |
| Lycée+ | Physique — principe de Huygens | L'idée que l'ouverture devient une nouvelle source d'onde |
| Université | Optique ondulatoire, acoustique du bâtiment | Le fait que l'onde pénètre aussi à l'intérieur de l'ombre |
| Recherche | Environnement sonore urbain, matériaux artificiels structurés | Le contournement du son en milieu urbain et son contrôle |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | Pourquoi seuls les graves passent depuis la pièce voisine |
- Société acoustique du Japon (dir.), Petit dictionnaire de tout sur le son (音のなんでも小事典), Kodansha
- Observatoire astronomique national du Japon (dir.), Chronological Scientific Tables (理科年表), Maruzen Publishing (valeurs de la vitesse du son, de la vitesse de la lumière et de la longueur d'onde de la lumière visible)
- Huygens, Traité de la lumière (texte original sur la diffraction et le concept de front d'onde)
- Hecht, Optics, Maruzen Publishing (traitement détaillé de la diffraction)
※Cet article est une vulgarisation scientifique à destination du grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension des mécanismes. Pour les expériences sonores, veillez à choisir un volume et un horaire qui ne dérangent personne.