Un bruit sourd et monotone s'échappe d'on ne sait où. Vous y êtes : le désert vous parle. Cette acoustique particulière ne se retrouve pas systématiquement dans tous les déserts du monde. Seules certaines dunes sont aptes à produire ce son si étrange et captivant.

Certaines dunes ont la propriété bien étrange d'émettre du son. Ce phénomène totalement subjuguant, est en réalité tout a fait connu : on retrouve des témoignages de chant de dunes dans les écrits de Marco Polo par exemple, ou encore dans les mémoires de Lord Curzon. Au final, c'est une cinquantaine de dunes chantantes qui ont été recensées dans le monde, principalement en Chine et en Amérique.

Le son est émis lorsqu'une avalanche se déclenche dans la face la plus pentue de la dune (appelée de ce fait face d'avalanche), et il dure jusqu'à ce que l'avalanche atteigne le pied de la dune. La puissance sonore est réellement impressionnante, à tel point qu'on a souvent l'impression qu'un avion passe dans le ciel. Mais le plus extraordinaire, pour le physicien, c'est la structure du spectre d'émission sonore. En effet, le son émis possède un fondamental et des harmoniques clairement définis. L'ordre de grandeur de la fréquence fondamentale est de 100 Hz. La puissance sonore semble être de l'ordre de 100 dB : si on plaque l'oreille contre la surface de la dune, le son devient presque assourdissant.

Comment expliquer ce phénomène ?

Produire du son c'est simplement générer une onde de pression. Autrement dit, il suffit d'agiter l'air, ce qui crée des surpression et des dépressions successives. C'est notamment comme cela que fonctionne les hauts parleurs : la membrane pousse l'air et ensuite l'aspire. Si ce type de mouvement est suffisamment rapide, l'oreille humaine est capable de l'entendre et on parle d'onde sonore. Typiquement, il faut que la fréquence des oscillations soit au moins de 20 Hz (en dessous ce sont des infrasons, mode de communications des éléphants par exemple). À l'inverse, si le mouvement de la membrane est trop rapide, l'oreille humaine n'entend plus, ce sont les ultrasons (au-delà de 20kHz).

Cependant agiter l'air ne suffit pas à produire un son. Ainsi, tous les instruments de musique possède une cavité qui permet de sélectionner certaines fréquences, c'est ce qui fait leur richesse musicale et leur timbre. La cavité s'appelle en physique un résonateur. Les fréquences sélectionnées sont notamment fonction de la taille et de la forme de ce résonateur. Pour preuve, il suffit d'écouter la différence entre une contrebasse (très grave et très grosse) et un violon (aigu et petit). C'est là que cela devient vraiment intéressant pour le physicien, car pour le Chant des Dunes, il semble que les fréquences d'émissions ne dépendent pas de la taille de la dune ou de sa forme. La production du son doit donc se faire par un autre mécanisme.

Notre idée, que nous sommes en train d'expérimenter sur le terrain et en laboratoire, c'est que le son est simplement produit par le mouvement synchrone des grains de sable dans l'avalanche. Le point important, c'est la dilatance de Reynolds. En clair, pour qu'un milieu granulaire change de forme, il est obligé d'abord de se dilater. Ainsi, les grains qui se déplacent dans l'avalanche subissent une série d'oscillation qui pourrait produire l'onde sonore. Dès lors la fréquence caractéristiques du chant des dunes serait relié à la fréquence de ces oscillations et ne dépendrait plus d'un éventuel résonateur.

Vers un "Laser acoustique" ?

Mais la puissance du chant des dunes ne peut s'expliquer que si tous les grains bougent de manière synchrone. Dans le cas contraire, chaque zone qui émet du son n'émet pas en phase avec la zone voisine et l'onde sonore totale que l'on entend n'est pas très puissante (phénomène d'interférence). Cette nécessité de synchronisation trouverait une réponse dans la manière dont les grains bougent.

Le mouvement des grains doit se fait de manière synchronisé, et à chaque mouvement de ce type, de l'air est aspiré, pendant la dilatation et expiré pendant la recompaction. Au total on obtient une onde sonore beaucoup plus forte que si les grains de sable ne bougeaient pas ensemble.

Cette dernière idée de la synchronisation du mouvement des grains, amène directement aux concepts de cohérence temporelle des lasers optiques. Dans un Laser, l'émission de lumière est basée sur ce qu'on appelle l'émission induite de photon, ce qui assure que "tous" les photons émis sont en phase les uns avec les autres. C'est l'analogue de notre cas.

Reste maintenant à montrer que le chant des dunes est bien produit par une avalanche qui fonctionnerait suivant le principe d'un laser acoustique. Il nous faudra donc rechercher la cause de cette synchronisation, si elle est validée expérimentalement. Cependant, indépendamment de ce genre de considération, il restera beaucoup de choses à comprendre sur cette musique des sables. Par exemple, le rôle de l'humidité semble primordial (temps sec exigé) pour que les grains sonnent. Mais il semble qu'il faille aussi un peu d'humidité de temps en temps pour modifier l'état de surface des grains. D'ailleurs la forme des grains semble aussi jouer un rôle significatif. Pour toutes ces questions, des expériences en laboratoires sont nécessaires, afin de mieux comprendre le rôle des différents paramètres.

La musique des sables en laboratoire

Reproduire le chant des dunes en laboratoire est désormais chose possible, grâce à une expérience toute simple. Il s'agit d'un anneau en plexiglas contenant du sable chantant et d'un bras motorisé qui permet de brasser le sable. Ainsi, il est possible de pousser la quantité de sable voulu avec la vitesse voulue.

A l'heure actuelle, cette expérience permet de reproduire un son comparable à celui observé sur le terrain, mais en moins intense. Cette différence d'intensité s'explique simplement par la faible quantité de sable qui est mis en mouvement. À savoir 10 centimètres cubes de sable. Une avalanche sonore à des dimensions plus importantes et correspond plutôt a 1 mètre cube de sable (3m x 3m x 10cm). Malgré ce problème, les premiers résultats sont vraiment encourageants, et vont sûrement permettre d'étudier les lois comportementales impliquant le nombre de grains en mouvement et leur vitesse de déplacement.