Des signaux pour observer et communiquer

Définition de l’onde lumineuse

La lumière est une onde émise par une source lumineuse. Elle se propage dans le vide. Cette onde est périodique dans le temps et dans l’espace : son motif se répète à intervalles de temps et de distance réguliers.

La distance parcourue par un motif est caractéristique de chaque onde lumineuse. C’est ce qui détermine la couleur d’une lumière. On l’appelle longueur d’onde, notée lambda : $\lambda$ et se mesure en mètres (ou mm, nm, …).
Les couleurs visibles sont les ondes lumineuses dont la longueur d’onde est comprise entre 400 nm et 800 nm.
Ex. : une onde lumineuse de longueur d’onde $\lambda$ = 400 nm est de couleur violette.
Les ondes infra-rouges responsables de l’énergie rayonnante ont une longueur d’onde supérieure à 800 nm.

Dans le vide, la lumière se déplace à v(vide) = 300 000 km/s. Sa vitesse peut varier dans différents milieux, en fonction de leurs propriétés physiques, à condition qu’ils soient un minimum transparent :

• v(eau) : 225 400 km/s
• v(verre) : en moyenne 170 000 km/s

La vitesse de la lumière dans le vide est maximum. Les autres milieux ne peuvent que freiner cette vitesse. Concernant l’air, nous ferons la plupart du temps l’approximation suivante : v(air) = v(vide)

C’est pourquoi nous voyons les objets déformés dans l’eau ou à travers un bloc de verre.

Propagation

Le faisceau lumineux, ensemble de rayons, peut être modélisé par des droites orientées. Quand un rayon lumineux rencontre un objet opaque, il va être partiellement absorbé et partiellement réfléchi. L’onde ainsi modifiée va changer de couleur. C’est pourquoi nous voyons les objets de la couleur qui n’est pas absorbée par cet objet.

Le Soleil produit des ondes de toutes les longueurs d’onde du visible, soit toutes les couleurs existantes. Ainsi, en lumière, la couleur blanche est obtenue en mélangeant toutes les couleurs.

On décrit le son comme une onde qui se déplace dans toutes les directions, à la manière d’un accordéon qui se comprime et se détend. Pour se propager, les sons ont besoins d’un milieu matériel comme l’air, l’eau, l’acier... C’est la raison pour laquelle ils ne se propagent pas dans le vide.

La nature de cette onde est mécanique et non électromagnétique comme la lumière. La vitesse du son est bien inférieure à celle de la lumière (pour rappel : c = 300 000 km/s) et dépend du milieu dans lequel il se propage. Par exemple, sa vitesse vaut :

• 340 m/s dans l’air ;
• 1 500 m/s dans l’eau de mer ;
• 5 000 m/s dans l’acier

La vitesse v du son est reliée à la distance d de la source sonore et à la durée t de parcours du milieu de propagation : $\rm v = \displaystyle \frac {d}{t}$

Ainsi, connaissant la vitesse et la durée de parcours du son, on peut calculer la distance d’éloignement de la source : lors d’un orage, si l’on entend le tonnerre trois secondes après avoir vu l’éclair, on peut en déduire que la distance à l’orage était de $\rm d = v \times t = 340 \times 3 = 1 020 ~m$ soit 1 km.

La propagation du son peut être utilisée pour mesurer des distances. C’est ce phénomène qui est utilisé pour les échographies ou par les chauves-souris. A noter que nous mesurons la durée d’un aller-retour du son. Il faudra donc diviser la distance calculée par 2 !

Un son se caractérise par :

• sa fréquence, en Hertz (Hz) : fréquence élevée (son aigu), fréquence basse (son grave)
• son amplitude : son fort ou son doux. Elle permet de déterminer l’intensité sonore, en décibel (dB).

L’oreille humaine n’est capable de détecter qu’une gamme de fréquence de sons, compris entre 20 Hz et 20 000 Hz : c’est le domaine de l’audible. Les fréquences inférieures à 20 Hz font partie du domaine des infrasons, celles supérieures à 20 000 Hz font partie des ultrasons.

Qu’il soit sonore ou lumineux, le signal est porteur d’informations. Ces types de signaux sont donc utilisés dans de nombreux domaines : médical (laser, échographie, radio...), militaire (sonar...), sécurité routière (radar)...