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Si vous avez déjà regardé la foudre scintiller dans le ciel nocturne et avez compté le nombre de secondes qu'il a fallu au tonnerre pour vous atteindre les oreilles, vous savez déjà que la lumière voyage beaucoup plus rapidement que le son. Cela ne veut pas dire que le son voyage lentement non plus; à la température ambiante, une onde sonore se déplace à plus de 300 mètres par seconde (plus de 1000 pieds par seconde). La vitesse du son dans l'air varie en fonction de plusieurs facteurs, notamment de l'humidité.
Les ondes sonores
Imaginez une molécule d’air se faufilant dans l’espace et heurtant un voisin pour se rebondir comme une paire de balles en caoutchouc. La deuxième molécule se précipite maintenant jusqu'à ce qu'elle se heurte à une autre et ainsi de suite. Chacune de ces collisions transfère de l'énergie de la première molécule à la seconde. C’est ainsi que les ondes sonores se déplacent: les molécules d’air sont mises en mouvement par une perturbation telle que la vibration des cordes vocales dans la gorge, et les collisions transfèrent cette énergie du premier ensemble de molécules d’air à leurs voisins, et ainsi de suite. En fin de compte, la vague transfère de l'énergie mais pas de la matière, ce qui signifie que c'est la perturbation qui se déplace plutôt que les molécules d'air elles-mêmes.
La vitesse
Lorsque vous parlez de la vitesse du son, vous parlez du temps que prend l’onde sonore ou la perturbation pour se rendre de l’endroit où elle a commencé à l’oreille. La vitesse d'une onde sonore est déterminée par le support ou le matériau traversé par l'onde; la même vague ira plus vite dans l'hélium que dans l'air, par exemple. Chaque matériau a deux propriétés qui déterminent la rapidité avec laquelle il transmet le son: sa densité et sa rigidité ou son module d'élasticité.
Air
La "rigidité" de l'air ou de son module d'élasticité ne change pas avec l'humidité. La densité, cependant, fait. À mesure que l'humidité augmente, le pourcentage de molécules d'air qui sont des molécules d'eau augmente également. Les molécules d'eau sont beaucoup moins massives que les molécules d'oxygène, d'azote ou de dioxyde de carbone. Par conséquent, plus la fraction d'air constituée de vapeur d'eau est importante, moins la masse volumique par unité de volume est importante et moins elle devient dense. Une densité plus faible se traduit par un déplacement plus rapide des ondes sonores, ce qui permet aux ondes sonores de voyager plus rapidement lorsque l'humidité est élevée. Toutefois, l’augmentation de la vitesse est très faible, vous pouvez donc l’ignorer dans la plupart des cas. Par exemple, dans l'air ambiant au niveau de la mer à la température ambiante, le son voyage environ 0,35% plus vite dans une humidité de 100% (air très humide) que dans une humidité de 0% (air complètement sec).
Autres facteurs
L’effet de l’humidité sur la vitesse du son est légèrement plus important lorsque la pression atmosphérique est basse, comme celle que vous rencontrez à haute altitude. À environ 6 000 mètres (20 000 pieds) au-dessus du niveau de la mer, par exemple, la différence entre la vitesse du son dans l'air sec à la température ambiante à 0% d'humidité et le même air à 100% d'humidité est d'environ 0,7%. L'augmentation de la température amplifie également l'effet de l'humidité sur la vitesse du son dans l'air, bien que l'augmentation soit encore relativement modeste.