Pourquoi le son de l'ambulance
devient-il grave juste après son passage ?
Le son de la sirène passe brusquement d'aigu à grave juste devant vous. Ce n'est pas l'ambulance qui change de son. Ce qui change, c'est l'espacement des ondes sonores qui vous parvient. Et grâce à ce même principe, nous avons découvert que l'univers est en expansion.
Une ambulance approche au loin. On entend la sirène. Pendant qu'elle approche, la hauteur du son change à peine. Elle devient plus forte peu à peu, mais la hauteur reste constante.
Puis, au moment où elle passe devant vous. Le son chute brutalement, comme un décrochage. Ensuite, il reste grave, constant.
Cette forme « constant → chute brusque → constant » est essentielle. Si l'ambulance changeait elle-même de hauteur, ce changement ne serait pas aussi abrupt. Le conducteur n'appuie pas non plus sur un bouton à cet instant précis.
Ce qui change, ce n'est pas le son lui-même, mais votre relation avec l'ambulance.
Le son est une onde qui se propage dans l'air. Quand une source se dirige vers vous, elle avance elle-même avant d'émettre l'onde suivante, donc l'espacement des ondes se resserre. Un espacement resserré, c'est un son aigu.
À l'inverse, en s'éloignant, elle s'écarte avant d'émettre l'onde suivante, donc l'espacement s'élargit. Un espacement large, c'est un 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 la façon dont il vous parvient change. Regardons cela étape par étape.
Pourquoi le son ne devient-il pas « de plus en plus aigu » ?
C'est ici que l'on se trompe souvent. On pense que le son devient « de plus en plus aigu » à mesure que l'ambulance approche, mais ce n'est pas le cas.
Ce qui détermine le degré de compression des ondes, c'est la vitesse à laquelle la source se dirige vers vous. Tant qu'elle roule tout droit vers vous à vitesse constante, cette vitesse ne change pas. Donc la hauteur du son ne change pas non plus. Le volume augmente à mesure qu'elle approche, mais la hauteur reste constante.
Le changement survient au moment où la composante du mouvement dirigée vers vous diminue — c'est-à-dire lorsqu'elle passe devant vous. À l'instant précis où elle est juste à côté, elle ne s'approche ni ne s'éloigne, donc vous entendez la hauteur réelle du son. Puis, après le passage, elle bascule du côté de l'éloignement.
Cette forme « constant → chute brusque → 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.
Ce qui a changé, c'est seulement votre relation avec la source.
Quantifier le changement
La partie aiguë de la sirène des ambulances japonaises se situerait autour de 960 hertz. Calculons pour une vitesse de 60 km/h.
| Son d'origine (véhicule à l'arrêt) | 960 Hz |
| À l'approche | environ 1 010 Hz (aigu) |
| En s'éloignant | environ 915 Hz (grave) |
| Variation au passage | rapport d'environ 1,10 ＝ soit environ 1,7 demi-ton en musique |
※ Ces valeurs varient selon la vitesse, la température et le type de sirène. Il s'agit d'ordres de grandeur pour se faire une idée.
1,7 demi-ton correspond, sur un clavier de piano, à environ une touche blanche. Ce n'est pas énorme, mais c'est une différence nettement perceptible. Notre oreille distingue facilement un écart de cet ordre.
Plus la vitesse augmente, plus l'écart est grand. C'est pourquoi la chute du son est si spectaculaire lors du passage d'un train à grande vitesse.
Que l'ambulance s'approche de vous ou que vous vous approchiez d'elle, le résultat semble identique. Pourtant, à y regarder de près, la hauteur perçue diffère légèrement.
La raison : le son se propage à travers un « support », l'air. Ce qui compte, c'est qui bouge par rapport à l'air. Si la source bouge, c'est l'espacement même des ondes qui change ; si l'auditeur bouge, c'est le nombre d'ondes reçues par seconde qui change. Les situations se ressemblent, mais ce qui se passe est différent.
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. C'est justement ce constat qui a été l'un des déclencheurs de la théorie de la relativité.
Le même principe, utilisé ici
- Contrôle radar de vitesse ― on envoie une onde radio sur un véhicule, et le degré de compression de l'onde réfléchie permet de calculer sa vitesse. Ce n'est pas du son mais une onde radio, mais le principe est le même.
- Radar météorologique ― on envoie une onde radio sur des gouttes de pluie pour savoir si la pluie se rapproche ou s'éloigne. Utilisé pour détecter les tornades et les forts courants ascendants.
- Examens du cœur et des vaisseaux sanguins ― on utilise 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. Ces couleurs indiquent le « sens » du flux.
- Recherche de planètes hors du système solaire ― lorsqu'une étoile est légèrement attirée et oscille sous l'effet d'une planète, la couleur de sa lumière se décale de façon périodique. En lisant cette oscillation, on détecte la présence d'une planète invisible.
- La découverte de l'expansion de l'univers ― la lumière des galaxies lointaines était systématiquement décalée du côté où « l'espacement s'étire ». Et plus la galaxie était lointaine, plus le décalage était grand. C'est ce qui a mené à la conclusion que l'univers tout entier est en expansion.
Le son de l'ambulance et l'expansion de l'univers. Ils sont reliés par exactement la même idée.
Ce qu'on peut vérifier dans la rue
- Depuis un trottoir sûr, attendez qu'une ambulance ou un camion de pompiers approche, sirène hurlante
- Vérifiez que la hauteur du son ne change pas pendant l'approche (seul le volume augmente)
- Fermez les yeux et dites « maintenant » au moment où le son chute
- Ouvrez les yeux et vérifiez où se trouvait le véhicule à cet instant. Il devrait être quasiment juste à côté de vous
- Si vous avez une application d'analyse de fréquence sur smartphone, relevez les valeurs avant et après le passage
Rien qu'au son, vous pouvez deviner l'instant où le véhicule passe juste à côté de vous. Connaître une position sans les yeux, c'est une expérience un peu troublante. ※ Ne descendez pas sur la chaussée. Restez sur le trottoir, à un endroit qui ne gêne pas le passage des véhicules d'urgence.
En résumé
Si le son de l'ambulance devient grave juste après son passage, c'est parce que la source en approche comprime les ondes, et la source qui s'éloigne les étire. Le son lui-même reste identique ; seule la façon dont il vous parvient change.
En lisant cette « compression des ondes »,
l'humanité a découvert que l'univers est en expansion.
Non seulement la hauteur du son, mais aussi la « direction d'où il vient », sont des informations que l'auditeur reconstruit lui-même. Ce mécanisme est expliqué dans Comment sait-on d'où vient un son, même les yeux fermés ?
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules, liens avec les manuels scolairesDu niveau collège aux sujets de recherche actuels, chaque niveau est indiqué explicitement
- Collègeniveau du programme de sciences au collège
- Lycéeniveau des cours de « physique fondamentale » et « physique » au lycée
- Lycée+niveau « physique » du lycée, ou contenu avancé / encadré des manuels
- Universitécontenu non enseigné au lycée, relevant de matières spécialisées universitaires (relativité, astronomie)
- Recherchesujets que même l'université n'enseigne pas comme des « faits établis », et que les chercheurs étudient encore aujourd'hui
CollègeVocabulaire : le son et les 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 « degré de compression 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 où elle s'allonge (le rouge). Il se produit pour les objets célestes qui s'éloignent.
LycéeVérification par le calcul : de combien de Hz varie le son de l'ambulance ?
Le texte indique : « aigu à l'approche, grave en s'éloignant ». On peut calculer précisément la variation. Il ne faut qu'une division.
f′ ＝ f × V ÷ (V − v)
| f′ hauteur du son perçue | unité : Hz (hertz) |
| f hauteur de la sirène elle-même | unité : Hz |
| V vitesse du son | environ 340 m/s |
| v vitesse d'approche de la source | unité : m/s |
Voici comment le lire. Plus la source approche, plus le dénominateur diminue. Un dénominateur plus petit donne un résultat plus grand, donc le son devient plus aigu. En s'éloignant, le dénominateur devient V ＋ v, et le son devient plus grave.
Pourquoi au dénominateur ? Parce que la source rattrape en partie l'onde précédente, ce qui resserre l'espacement entre les ondes. C'est cette position dans la formule qui traduit 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 |
| À l'approche : 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, en rapport, cela donne 1010 ÷ 915 ≒ 1,10, soit environ 10 %. Une variation de 10 % en hauteur correspond, sur un clavier de piano, à environ un ton et demi. C'est une différence clairement perceptible.
Ce qui compte, c'est que ce n'est pas progressif, mais que cela se produit au moment précis du croisement. Pendant l'approche, le son reste constamment à 1010 Hz ; après le passage, il reste constamment à 915 Hz. L'impression d'un son qui « descend » ne dure que le bref instant du passage tout proche.
La formule explique aussi pourquoi. Dans v, seule entre la composante de la vitesse dirigée vers vous. Au moment où la source passe juste à côté, cette composante d'approche devient un instant nulle. C'est pourquoi le basculement est si brutal.
Même pour un « rapprochement », la forme de la formule change selon que c'est la source ou l'auditeur qui bouge.
| La source approche à la vitesse v | f′ ＝ f × V ÷ (V − v) …le dénominateur change |
| L'auditeur approche à la vitesse u | f′ ＝ f × (V ＋ u) ÷ V …le numérateur change |
Dans les deux cas, le son devient plus aigu, mais avec la même valeur numérique, les résultats ne coïncident pas. En essayant les deux à 34 m/s (10 % de la vitesse du son) : pour la source en mouvement, on obtient 340 ÷ (340 − 34) ＝ 1,111 fois, pour l'auditeur en mouvement, (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 bouge par rapport à l'air. C'est ce que le texte évoquait en disant « ça se ressemble, mais ce n'est pas identique ».
Lycée+Que se passe-t-il au-delà de 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 se superposent en une onde unique et intense. C'est l'onde de choc.
Au-delà de la vitesse du son, l'onde de choc s'étend en cône et balaie le sol en avançant. L'endroit où elle passe entend une détonation : c'est le bang supersonique. C'est l'une des raisons pour lesquelles les avions supersoniques ne peuvent pas survoler les zones urbaines.
UniversitéLe cas de la lumière est différent
Le son se propage dans l'air, donc « qui bouge par rapport à l'air » avait un sens. Or la lumière n'a pas besoin de support. Distinguer source et observateur perd alors tout sens, et seule la vitesse relative entre les deux compte.
La formule de l'effet Doppler relativiste s'écrit, pour un éloignement, f′ = f √((1−β)/(1+β)) (β = v/c). Quand la vitesse est très faible par rapport à celle de la lumière, elle se rapproche de la forme utilisée pour le son.
Ce qui est intéressant, c'est que même au moment où l'objet passe exactement de côté, la fréquence se décale. Pour le son, à ce moment précis, 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 latéralement. Cet effet Doppler transversal a été vérifié 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 éloignées (loi de Hubble-Lemaître) fonde l'idée de l'expansion de l'univers. À strictement parler cependant, le décalage vers le rouge des galaxies lointaines résulte moins d'un « déplacement des galaxies dans l'espace » que du fait que l'espace lui-même s'étire, ce qui diffère 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. Les méthodes utilisant des objets proches et celles qui calculent à partir de la lumière émise peu après la naissance de l'univers (le fond diffus cosmologique) donnent des valeurs qui divergent de quelques pourcents. À mesure que la précision des mesures s'améliore, cet écart devient difficile à expliquer par de simples erreurs. On l'appelle la tension de Hubble, et le débat se poursuit pour savoir s'il existe une physique encore inconnue. C'est l'une des controverses les plus actives de la cosmologie.
- La précision de la recherche d'exoplanètes se heurte à l'étoile elle-même. L'oscillation d'une étoile provoquée par une planète est de quelques mètres par seconde au plus (à peu près la vitesse d'un piéton), et on la mesure via le décalage de couleur de la lumière. Or, la surface des étoiles présente 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 une planète semblable à la Terre est d'éliminer ce « bruit stellaire », et aucune méthode définitive n'existe encore.
- Même la perception des sons du quotidien n'est pas si simple. Dans une vraie rue, le vent, les couches de température et les réflexions sur les bâtiments s'ajoutent. Une différence de température entre l'altitude et le sol courbe la trajectoire du son, si bien qu'un son lointain est parfois audible, parfois non. Prédire précisément la propagation du bruit reste aujourd'hui encore un sujet de recherche pour l'urbanisme et les zones proches des aéroports.
Liens avec les manuels scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Partie correspondante de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences : propriétés du son (fréquence et hauteur) / vitesse du son | compression et étirement des ondes, perception au passage |
| Lycée | Physique : ondes (effet Doppler) | les 4 formules, calcul de l'ambulance |
| Lycée+ | Physique : ondes, approfondissement (onde de choc) | sens du dénominateur qui tend vers zéro, bang supersonique |
| Université | Relativité restreinte / astronomie | 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 météo, 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 Planck Collaboration, série de publications sur la mesure de la constante de Hubble (des écarts 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 japonaises relatives au son des sirènes des véhicules d'urgence et documentation des fabricants.
※ Les valeurs de fréquence de sirène 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 destinée au grand public. Lors de vos observations, ne descendez pas sur la chaussée. Placez-vous en lieu sûr, sans gêner le passage des véhicules d'urgence. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur destinés à faciliter la compréhension du phénomène.