AQ1  LA  NATURE  DES  SONS

AQ1.1 Introduction
AQ1.2 Le phénomène sonore
AQ1.3 La nature d'un son
AQ1.4 La longueur d'une onde sonore
AQ1.5 L'intensité acoustique d'une onde sonore
AQ1.6 La qualité d'une onde sonore
AQ1.7 L'inportance du milieu environnant

 

AQ1.1  Introduction

Science du son, l’acoustique en étudie la production, la transmission, la détection et ses effets. La notion de son n’est pas attachée uniquement aux phénomènes aériens responsables de notre sensation auditive, mais aussi à tous les autres phénomènes qui sont gouvernés par les mêmes lois physiques.

Le schéma ci-dessus, même ancien, illustre bien dans quels domaines l’acoustique est présente. De tout temps, l'homme a cherché à connaître les sons (VIe av. JC), mais c’est vers le XIIe après JC que l’étude a pris une forme vraiment scientifique. P.Marin Mersenne (1588-1648) et Galiléo Galilei (1564-1642) ont été parmi les premiers à élaborer des lois sur ces phénomènes vibratoires.

AQ1.2  Le phénomène sonore

La production et la propagation des sons sont liées à l’existence d’un mouvement vibratoire des particules qui constituent le milieu ambiant situé autour d’une source (ou générateur) de ces vibrations.

Depuis la source sonore, le milieu est déformé et, par suite de son élasticité, la déformation gagne les molécules voisines qui, dérangées dans leur position initiale d’équilibre relatif, agissent à leur tour de proche en proche.

AQ1.3  La nature d’un son

Regardons l’exemple donné par la vibration des lames d’un diapason. Elle entraîne un mouvement vibratoire du milieu de propagation qui existe autour de lui. Ces vibrations se déplacent depuis la source sonore, au départ de manière sphérique dans toutes les directions.

dacou3.jpg (5035 octets)         

La grandeur des lames déterminera la fréquence f [ Hz ] des vibrations, qui est parfois appelée " la hauteur d’un son ".

La force avec laquelle la matière à été mise en mouvement déterminera l’intensité sonore J, exprimée en watt par mètre carré [ W / m2], qui est parfois appelée " le volume sonore ".

La propagation de l’onde s’apparente à une succession de compressions et de dépressions des molécules entre elles qui se déplacent dans un milieu ambiant. Une certaine distance sépare les deux zones de surpression, ou de dépression. Cette distance dépend de la nature du milieu, s’il est solide ou liquide par exemple.

Le phénomène sonore se propage sans transport de matière, mais transmet à la matière environnante une énergie vibratoire à laquelle il a été soumis. Une onde sonore peut être considérée comme porteuse d’une énergie qui se transmet de proche en proche.

AQ1.4  La longueur d’une onde sonore

Nous pouvons imaginer la propagation d’un son par les vagues formées à la surface de l’eau lorsqu’une pierre y est jetée. De même, nous pouvons comparer un son avec une corde supposée très longue et parfaitement souple qui est soulevée à un endroit proche d’une extrémité. La principale différence entre une onde sonore et la corde vibrante ou la pierre dans l’eau consiste dans le fait que la propagation d’un son à lieu dans toutes les directions.

En observant la corde vibrante, on constate, en prenant des "instantanés", un déplacement de l’onde ou front d’onde aux différents temps t.

Au temps t = t1, l’onde à parcouru une distance d1. De part son élasticité, la corde remonte au dessus de sa position d’origine.

Au temps t = t2, l’onde à parcouru une distance d2 qui est donc plus grande que d1. De plus, le front d’onde est déformé par sa grande amplitude.

La distance dessinée qui sépare deux zones de surpression est appelée longueur d’onde, symbolisée par la lettre lambda l [ m ]. La longueur d’onde est directement liée à la période (donc à la fréquence) du système en mouvement ainsi qu’à la vitesse à laquelle l’onde sonore peut se propager. La vitesse de propagation de l’onde sonore est appelée célérité c [ m/s ]. La formule générale liant l’espace, le temps et la vitesse est applicable dans le cas d’une onde sonore

                                                 c                   l : longueur d’onde [m] = distance entre 2 zones
l  =  c × T  =   -------             c : célérité [m/s] = vitesse de propagation
                                 f                    T: période [s] = durée d’une vibration
                                                                       f : fréquence f [Hz] = fréquence de la vibration

 

AQ1.5  L’intensité acoustique d’une onde sonore

En partant de la source sonore, la propagation, au départ sphérique, va fortement être modifiée en fonction du milieu ambiant.

A moins de 1m de la source sonore nous parlons d’ondes sphériques et au delà de 1m d’ondes planes. A partir de cette distance de 1m, les mesures permettant de quantifier l’énergie sonore mise en jeu deviennent plus fiables.

Sans rencontrer d’obstacles, l’intensité acoustique diminue avec la distance de la source sonore d’une manière constante. Nous pouvons admettre une atténuation de -6dB chaque fois que la distance double.

En technique et en utilisant un système d’unité normalisé, l’énergie W à pour unité le Joule [ J ] ce qui permet d’établir des correspondances énergétiques d’un domaine de la physique à un autre. En mécanique, l’énergie, appelée souvent travail, est définie par la distance d [ m ] effectuée à l’aide d’une force F [ N ]. En électricité, l’énergie est définie par la puissance que délivre un phénomène en fonction du temps. Transposé en formules mathématiques (et en unités) :

W = F × d º P × t [J = N × m = W × s]

En acoustique, la quantité d’énergie d’une onde sonore, son intensité acoustique, sera définie par la puissance mécanique vibratoire des particules disponible par unité de surface.

Au niveau des particules en mouvement, l’intensité d’une onde sonore dépend de la variation d’amplitude des vibrations, représentées par la variation de pression D p, de la masse volumique r de l’espace environnant et de la célérité c. En formule cela donne :

            D p2                                    Pa2                        W
 =  ------------                    [ ----------------------  =   ------]
        2 × r × c                               Kg /× m3 × m / s          m2

En pratique, pour définir l’intensité acoustique d’une source sonore, nous utilisons plus souvent un niveau acoustique N exprimé en décibel dBSL (SL = Sound Level), qui exprime un rapport d'une intensité donnée J avec une intensité prise comme référence Jréf. L’appareil qui mesure l’intensité acoustique, appelé sonomètre, affiche ses résultats en décibel.

J

N = 10 × log --------------- [ dBSL ]

J réf

L’intensité acoustique de référence Jréf à été choisie au seuil d’audibilité de l’oreille humaine, soit à 1 pW/m2.

Jréf = 1 × 10 E-12 [ W/m2 ]

 

AQ1.6  La qualité d’une onde sonore

Une lame vibrante émet un son ayant une onde sonore pratiquement sinusoïdale, du moins à très courte distance. Elle émet un son appelé son pur.

La représentation spectrale d’une onde sinusoïdale donne uniquement un seul trait, appelé raie spectrale.

Seule une vibration sinusoïdale donne une seule raie spectrale. Toute autre forme de vibration va donner une composition spectrale plus importante. (Voir signal acoustique)

 

Un son réel est la combinaison plus ou moins compliquée de plusieurs fréquences différentes dont certaines sont prépondérantes et donnent au son une qualité physiologique particulière, appelé le timbre. Le timbre est la composition en harmoniques d’une onde sonore qui nous permet de distinguer un piano et une guitare jouant simultanément la même note.

Notre sens de l’ouïe nous permet de distinguer l’amplitude des vibrations et surtout leurs variations d’amplitude. Devant la bouche d’un homme parlant normalement, la " pression sonore " de l’air varie seulement d’un millionième de la pression atmosphérique ambiante.

Même si la perception sonore varie d’une personne à l’autre, nous réagissons d’une manière générale lorsque les sons varient entre 20 Hz et 20kHz environ pour une intensité qui varie entre 1 pW/m2 et 100 W/m2 environ. Toutefois, notre perception varie avec l’âge et une diminution de la sensibilité de la perception des sons est souvent constatée.

AQ1.7  L’importance du milieu environnant

Pour bien comprendre ce que peut être la nature d'un son, il faut savoir que le milieu ambiant, dans lequel l'onde se propage, détermine directement la quantité et surtout la qualité du son perçu à un endroit donné. Ce qui signifie que le local d’écoute présent autour de la source sonore, va fortement influencer notre perception sonore. Nous avons tous déjà entendu la différence d’écoute dans une voiture ou dans une église, par exemple.

Pour démontrer l’importance de l’espace autour de la source sonore, l’exemple le plus frappant est l’absence d’un son dans le vide d’air. Comme dans le vide d’air il n’y a pas de molécules, nous pouvons considérer qu’il n’y a pas de milieu ambiant et de ce fait il ne peut y exister d’onde sonore.

En plein air, par exemple au milieu d’une grande plaine utilisée pour un concert de musique, nous parlons de propagation en champ libre, c’est à dire pratiquement sans obstacles ni réflexions. Les auditeurs entendent essentiellement les ondes en provenance directe de la source sonore.

Toutefois, les caractéristiques physiques du milieu ambiant dépendent toujours d’un nombre considérable de facteurs. Entre autres, la température, l’humidité, la pression du milieu ambiant, les forces liants les molécules entre elles, vont fortement influencer la propagation d’une onde sonore.

Dans un local plus ou moins clos, les ondes sonores traversent des milieux acoustiques différents ou rencontrent des obstacles. Elles subissent dans leur propagation des phénomènes de déviations ce qui va donner naissance à de nouvelles ondes qui vont se mélanger aux ondes déjà présentes. Cela entraîne des zones d'espace dans lesquelles l’onde initiale se retrouvera déformée en quantité et en qualité. Nous parlons d’interférences. Voir à cet effet la page du site AQ2 La propagation des sons.