Pourquoi un verre émet-il des sons ?
Même s’il semble à priori rigide et fragile, le verre est un matériau qui vibre facilement et peut se déformer légèrement sans se briser.
Quand on frappe un verre, il émet un son dont la hauteur dépend de sa fréquence propre.
La vibration déforme imperceptiblement le verre qui perd sa forme circulaire (vu de dessus) : les parois s’éloignent et se rapproche successivement du centre
La forme circulaire du verre permet à la vibration de vivre si elle est à la bonne fréquence, c’est-à-dire si le verre peut vibrer suivant l’un de ses modes propres : dans ce cas les déformations des parois du verre n’interfèrent pas les unes avec les autres et peuvent durer plusieurs secondes.
Un verre peut vibrer dans l’un de ses modes propres
La fréquence du son dépend du verre, et notamment de sa forme, de son diamètre et de la pureté de la matière qui le constitue.
Elle est intimement liée à l’intervalle de temps entre deux vibrations du mode propre.
Un verre plus gros vibrera avec des modes plus complexes et des fréquences moins hautes (son plus grave).
L’amplitude du son correspond à l’importance de la déformation du verre à chaque vibration.
Plus la déformation est grande, plus la quantité d’air déplacé est importante et plus le son est fort.
L’énergie fournie initialement diminue lentement car elle se dissipe à chaque vibration :
- En partie en énergie mécanique liée à la déformation du verre
- Et en énergie nécessaire pour déplacer l’air et ainsi produire l’onde sonore
Le son sera de moins en moins audible mais cela ne signifie pas que la vibration du verre s’arrête brutalement. En réalité, elle diminue lentement jusqu’à ne plus exister : l’amplitude est de moins en moins grande, et le son atteint en quelques secondes un niveau inaudible pour nos oreilles.
Amplitude et fréquence de l’onde sonore produite par le verre
Si le frottement de votre doigt sur le verre semble se dérouler sans résistance, il se produit en fait une succession de cisaillements : votre peau accroche le verre et le déforme, puis il y a rupture de cet accrochage et le verre reprend sa forme. Le processus se poursuit tant que votre doigt glisse sur le verre.
Ce phénomène est identique au cisaillement qui se produit lorsque l’on tire une chaise sur le sol.
Le frottement apporte de l’énergie en continu au verre et alimente la vibration : elle dure le temps du frottement, contrairement à la vibration temporaire obtenue lorsque le verre est choqué.
La résonance du verre se propage facilement
Dans une expérience, Il est important que les deux verres soient accordés : les deux verres résonnent à la même fréquence.
En faisant sonner le premier, il émet une onde sonore correspondant à cette fréquence de résonance. Cette onde se diffuse et met en résonance le seconde verre car il est accordé sur cette fréquence.
Le second verre se met à vibrer et propage cette vibration au fil de fer qui oscille lui aussi à cette même fréquence.
Cet exemple montre la complexité que peut représenter la maîtrise des ondes sonores par les acousticiens, tant pour un nouveau bâtiment (éviter les nuisances sonores internes, externes, etc), que pour obtenir une acoustique parfaite dans une salle de spectacle. Le choix des matériaux, les formes de chaque objet (fauteuil, revêtement mural, etc), le type de musique, et bien d’autres, sont autant de facteurs à prendre en compte.
Briser un verre par le chant
Pas d’expérience possible, à moins que vous ne possédiez une voix de chanteuse d’opéra !
Des voix puissantes dans les aigus, et capables de tenir la même note plusieurs secondes peuvent briser un verre en cristal très pur.
Ce phénomène tient à la fois de la mise en vibration du verre à une fréquence précise, mais également de l’amplification de cette vibration par la résonance.
La fréquence sonore fournie par la chanteuse amplifie les déformations du verre jusqu’à sa structure ne puisse plus résister : le verre se brise.
Texte de Jean Daniel Touly