Vitesse du son : combien de mètres par seconde, dans l'air et ailleurs

Sur un chantier lointain, le coup de marteau arrive en retard sur le geste. Le son a une vitesse, et elle est assez lente pour que nos sens la perçoivent. Combien, exactement ? Cela dépend de ce qu’il traverse et de la température. Voici les ordres de grandeur à connaître, le mécanisme qui les explique, et les idées reçues à laisser de côté.

Environ 340 mètres par seconde dans l’air

L’encyclopédie Larousse donne la valeur de référence : dans l’air à 0 °C, le son se propage à 331 mètres par seconde, et cette vitesse augmente d’environ 0,6 mètre par seconde pour chaque degré supplémentaire, aux températures ordinaires. Par une douce soirée à 20 °C, on arrive donc à quelque 343 mètres par seconde, soit un peu plus de 1 200 km/h. C’est la valeur à garder en tête : un kilomètre en trois secondes environ.

En 1822, des savants du Bureau des longitudes, dont François Arago, chronomètrent de nuit des coups de canon tirés entre Villejuif et Montlhéry, au sud de Paris. Ils tirent dans les deux sens, pour que l’effet du vent, qui pousse le son à l’aller et le freine au retour, s’annule dans la moyenne.

Ce qui fait varier la vitesse du son dans l’air, c’est avant tout la température, bien plus que la pression. La NASA, qui a besoin de cette donnée pour tout ce qui vole, le rappelle : dans un gaz donné, la vitesse du son ne dépend que de sa nature et de sa température. En altitude, où l’air est plus froid, le son va donc moins vite qu’au sol, d’où l’usage du nombre de Mach, qui rapporte la vitesse d’un avion à celle du son autour de lui.

Le son voyage de molécule en molécule

Pourquoi la température compte-t-elle autant ? Parce que le son n’est pas un objet qui se déplace, mais une perturbation qui se transmet. Quand une membrane de haut-parleur pousse l’air, elle tasse les molécules voisines, qui bousculent les suivantes, et ainsi de suite. Comme le résume la NASA, la perturbation se propage grâce aux collisions entre des molécules animées de mouvements désordonnés. Chaque molécule oscille à peine autour de sa position ; c’est la compression qui voyage, pas l’air.

Or la température d’un gaz n’est rien d’autre que l’agitation de ses molécules. Plus elles s’agitent vite, plus elles se transmettent vite la bousculade. Ces molécules d’azote et d’oxygène, assemblages de deux atomes chacune, sont les mêmes que celles qui diffusent la lumière bleue du ciel ; pour se figurer leur taille et ce qu’elles contiennent, le détour par ce qu’est un atome aide beaucoup.

Conséquence directe : sans matière, pas de son. Le Larousse le dit sans détour, le son ne se transmet pas dans le vide. Entre la Terre et la Lune, la lumière d’un laser fait le trajet en un peu plus d’une seconde, comme on le mesure pour connaître la distance Terre-Lune ; un son, lui, ne l’atteindrait jamais. Les explosions sonores des films de science-fiction dans l’espace sont une licence poétique.

Plus vite dans l’eau et dans l’acier

Dans les liquides, le son file bien plus vite : 1 435 mètres par seconde dans l’eau à 8 °C, selon le Larousse, soit plus de quatre fois plus vite que dans l’air. Dans les solides, on passe à plusieurs kilomètres par seconde, environ 5 000 mètres par seconde dans l’acier. C’est pourquoi l’oreille collée à un rail de chemin de fer, geste de western à ne jamais imiter, entend un train bien avant que le bruit n’arrive par l’air.

L’explication courante, « le son va plus vite parce que la matière est plus dense », est fausse, ou du moins trompeuse. À rigidité égale, un milieu plus lourd transmet au contraire le son plus lentement, parce que ses particules ont plus d’inertie. Ce qui accélère le son dans l’eau et l’acier, c’est qu’ils sont extrêmement difficiles à comprimer : leurs particules, étroitement liées, réagissent presque instantanément à la poussée de leurs voisines. L’air, lui, se laisse tasser comme un ressort très mou.

Le son contre la lumière

Comparée à la lumière, qui parcourt près de 300 000 kilomètres par seconde, la vitesse du son est dérisoire : environ 900 000 fois plus faible. Le décalage entre l’éclair et le tonnerre vient de là, et permet d’estimer la distance d’un orage en comptant les secondes, à raison d’environ trois secondes par kilomètre. Les deux phénomènes sont pourtant des ondes, décrites par les mêmes fonctions périodiques où le nombre pi revient sans cesse ; mais la lumière n’a besoin d’aucun support, quand le son ne peut se passer de la matière. Et si les couleurs de la lumière se trient en traversant l’air, ce qui explique pourquoi le ciel est bleu, les notes graves et aiguës d’un son, elles, voyagent toutes à la même vitesse : sans quoi un orchestre entendu du fond d’une salle serait une cacophonie.

Pour mesurer vous-même la vitesse du son, placez-vous face à une grande paroi, falaise ou mur d’immeuble, à une centaine de mètres, frappez dans vos mains et écoutez l’écho : à 100 mètres, il revient en un peu moins de six dixièmes de seconde. L’erreur classique est de se tenir trop près, là où l’écho se confond avec le claquement.