Quand les bulles font du bruit : un mystère enfin résolu
Des scientifiques se sont penchés sur une question posée il y a près d’un siècle : pourquoi certaines bulles font-elles plus de bruit que d’autres ? Que la bulle soit formée lorsque l’on souffle dans l’eau à travers une aiguille ou que la bulle se détache suite à l’impact d’une goutte sur un bain liquide, les résultats démontrent que le moment du détachement de la bulle est déterminant : la vitesse et le rayon de la bulle entrent ainsi en jeu pour produire un son plus ou moins fort. Le modèle affiné décrit comment la vitesse du rayon de la bulle est influencée par les échanges gazeux à travers le col qui se referme. Cette « bulle qui fuit » révèle que la bulle commence à produire du son avant même son détachement.
Depuis les années 1930 et les travaux de Marcel Minnaert sur « les bulles d'air musicales et les sons de l'eau qui coule » (titre original : « On musical air-bubbles and the sounds of running water »), on sait que la formation d'une bulle est associée à un son dont la fréquence est inversement proportionnelle à son rayon. Une bulle de gaz dans un bain liquide est un objet très léger et compressible, qui peut donc se dilater et se comprimer très facilement, et qui est entouré d’un milieu très dense et très peu compressible. À l’équilibre, la taille de la bulle est dictée par la quantité de molécules de gaz et la pression du liquide. Hors de cet état d'équilibre, la bulle va tenter d’y revenir. La compétition entre la compressibilité du gaz et la densité du liquide agit alors comme un système masse-ressort. Si la fréquence du son d’une bulle qui se détache est bien comprise, quelles sont les conditions initiales qui déterminent le volume sonore ? C'est à cette question non résolue que des scientifiques ont cherché à répondre.
Ces recherches ont été menées par :
Institut Jean le Rond d'Alembert (∂'Alembert, CNRS/Sorbonne Université)
Laboratoire Matière et systèmes complexes (MSC, CNRS/Univ. Paris Cité)
En revenant aux équations fondamentales qui régissent la signature sonore d’une bulle, deux conditions initiales apparaissent immédiatement : l’écart au rayon d'équilibre et la vitesse initiale de gonflement ou de compression de la bulle. Si la bulle se détache en gonflant (vitesse initiale positive), la pression acoustique mesurée commencera par une dépression. À l'inverse, si la bulle est comprimée avant de se détacher (vitesse initiale négative), le premier pic de pression acoustique commencera par une surpression. Par ailleurs, l’étude montre que plus la vitesse initiale est grande, plus le volume sonore est important. En d’autres termes, qu’elle soit en train de gonfler ou de se comprimer, outre sa taille, la vitesse de la bulle lors de son détachement détermine non seulement l’amplitude du son produit, mais aussi sa nature, dépression ou surpression acoustique.
Grâce à une série de mesures permettant de varier de manière importante la taille et la vitesse initiale de formation d’une bulle, les chercheurs ont pu vérifier cette hypothèse pour des bulles plus petites que la longueur capillaire (2.7mm dans l’eau). Lorsque l’on souffle dans l’eau à travers une aiguille, la bulle qui se détache est initialement en train de gonfler lentement, le volume sonore associé est faible. Lorsqu’une goutte impacte un bain liquide, pour une certaine hauteur de chute et taille de goutte, une bulle se détache à la base de la cavité formée par l’impact. À l’image (ou au son) du bruit que fait la pluie sur l’eau, une bulle créée par l’impact d’une goutte se détache avec une compression si rapide qu’elle génère un volume sonore plus intense.
En résumé, c'est dû à la rapidité des mécanismes en jeu lors de sa formation si, à taille équivalente, une bulle formée en soufflant dans un verre d'eau fait moins de bruit qu’une bulle formée suite à l’impact d’une goutte de pluie.
Ces résultats ouvrent des perspectives, notamment sur l’étude des échanges océan-atmosphère, des émanations de gaz dans les profondeurs marines ou lors de la fonte des glaces, autant de facteurs clés pour comprendre les mécanismes du climat.
© Juliette Pierre
Références
Origin of the sound produced by a detaching bubble.
Vincent Gourmandie, Jeanne Chauris, Remi Fechter, Valentin Leroy, and Caroline Derec, Juliette Pierre.
Phys. Rev. Fluids 11, 073605, publié le 29 juillet 2026.
https://doi.org/10.1103/xshn-mnb8
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL