Pourquoi souffler dans une bouteille vide fait du son ?

Mosaïques : CogitationsScience

samedi 5 mars 2016

J’aime bien m’amuser avec les bouteilles de bière. Une fois sifflées, je produis des sons en soufflant en biseau sur le goulot, les lèvres placées comme sur une flûte de pan. Et ça marche ! Le son varie du grave à l’aigu en suivant la taille de la bouteille et selon son contenu, plus ou moins remplie. Et pourquoi ça fait du son comme ça ? Diable !

La résonance de Helmholtz

Ta bouteille en verre n’est pas seulement un récipient qui contient de la bière, de l’eau ou tout autre liquide. Il s’agit littéralement d’un résonateur de Helmholtz comportant une partie étroite de section moyenne S et de longueur L (le goulot) débouchant sur un volume clos V (la cavité). En fonction de ces différentes parties, le son change. C’est pourquoi nous n’entendons pas la même chose pour une bouteille de bière ou une caisse de guitare par exemple. Et ce que nous entendons est le résultat d’une résonance, nommée… devine quoi ? la résonance de Helmholtz ou résonance de cavité !

Résonateur de Helmholtz

[Source images gauche et droite]

Comment est produit le son dans la bouteille ?

Voyons cela plus en détails. Déjà, le son que nous entendons correspond à une vibration qui se propage dans l’air. En soufflant dans la bouteille, j’exerce une plus grande pression dans la cavité, comparée à la pression extérieure. Comme l’air est légèrement comprimée dans la cavité, elle tend à retrouver sa position initiale. Autrement dit, de l’air s’échappe vers l’extérieur par le goulot de la bouteille. Cela entraîne du coup une dépression dans la cavité, « aspirant » alors de nouveau l’air soufflé. Et comme je souffle, je recomprime l’air et le cycle recommence. C’est un peu comme un ressort qui se compresse et décompresse à un rythme suffisamment élevé pour produire un son, c’est-à-dire entre 20 et 20.000 fois par seconde. Pour que cela fonctionne bien, le goulot doit être suffisamment large pour laisser passer les deux flux d’air (entrant et sortant).

Formation de l’onde sonore dans la bouteille

[Source image]

Allons plus loin encore. La rencontre des ondes se propageant dans les deux sens créée une onde stationnaire. C’est-à-dire qu’elle se réfléchit sur un obstacle (ici, le fond de la bouteille) avec une forme semblable et inversée. La vitesse n’est pas modifiée, seul le sens de propagation est inversé. Et cette onde stationnaire possède deux caractéristiques :

  • Le « ventre », situé à l’entrée du goulot : l’air est à sa pression maximale.
  • Le « nœud », situé au fond de la bouteille : la vitesse de l’air est nul.

Ensuite, pour compliquer les choses, l’onde stationnaire dans la bouteille peut très bien présenter deux ventres et deux nœuds, voire plus. Ce qui change le son. Je n’y vais pas plus loin car je n’ai jamais compris ces histoires de fréquence fondamentale et harmonique.

Comment faire varier le son ?

A partir de là, tu peux t’amuser en faisant varier la taille de la bouteille. Ou en remplissant la bouteille plus ou moins. En général, plus la bouteille est remplie, plus le son produit est aigu. Cela vient de la quantité d’air présente dans la cavité. En fait, plus la cavité est grande, plus la masse d’air est importante, plus l’air met de temps à se comprimer et à revenir à sa position initiale, plus la fréquence de vibration de l’air est petite, plus la longueur de l’onde stationnaire est grande et… plus la note produite est grave !

Les paramètres d’une onde sonore

Bon, t’as peut-être rien compris au topo. Je rappelle qu’une onde sonore est caractérisée par deux paramètres : la fréquence et la longueur d’onde.

Imagine l’onde sonore comme une oscillation, sous forme de courbe sinusoïdale, qui se répète. La longueur d’onde (exprimée en mètre) indique la distance entre deux sommets de cette même oscillation. Plus cette longueur est grande, plus le son est grave et vice-versa.

Longueur d’onde d’une onde sonore

[Source image]

La fréquence (exprimée en Hertz) indique le nombre d’oscillations par seconde de l’onde. 1 Hertz est égal à une oscillation par seconde. Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu et vice-versa.

Fréquence d’une onde sonore

[Source image]

La fréquence et la longueur d’onde sont liées : plus la fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est petite et vice-versa (tiens, un écho ?). Relis le paragraphe plus haut et normalement, ça devient clair comme de l’eau de roche. Et si c’est toujours pas le cas, tète ta bibine et ça ira mieux !

Avec tout ça, n’oublie pas de sortir pendant une soirée : « Hey ! Sais-tu que ma bouteille de roteuse est un résonateur de Helmholtz ?! » La classe garantie et à toi de jouer ensuite un morceau de Bach, le goulot dans l’nez.

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2 Pierrot ont pris leur plume. Et toi ?

  1. Chris

    Récemment j’avais laissé une bouteille de verre 33cl sur une surface froide avec un fond de bière de la veille et un son en ai sorti tout seul (comme un souffle dedans en moins fort), une explication scientifique/rationnelle aha … ?

    (à noter que qu’en secouant/penchant ce fond de bouteille, un bruit de gaz pouvait se produire)

    mardi 17 mai 2016 à 17 h 49 min
  2. Sirtin

    Pour le moment, je n’ai pas d’explications. Le mieux serait de reproduire l’expérience sur une surface froide, une surface chaude avec une plus ou moins grande quantité de bière.

    Oui, je sais, tout ça, c’est un prétexte pour voir plus de bière pour « cause scientifique » !
    😉

    mercredi 18 mai 2016 à 11 h 03 min

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