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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, lacoustique en étudie la production, la transmission, la détection et ses effets. La notion de son nest 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 lacoustique est présente. De tout temps, l'homme a cherché à connaître les sons (VIe av. JC), mais cest vers le XIIe après JC que létude 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 lexistence dun mouvement vibratoire des particules qui constituent le milieu ambiant situé autour dune 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 déquilibre relatif, agissent à leur tour de proche en proche.
AQ1.3 La nature dun son
Regardons lexemple donné par la vibration des lames dun 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.
La grandeur des lames déterminera la fréquence f [ Hz ] des vibrations, qui est parfois appelée " la hauteur dun son ".
La force avec laquelle la matière à été mise en mouvement déterminera lintensité sonore J, exprimée en watt par mètre carré [ W / m2], qui est parfois appelée " le volume sonore ".
La propagation de londe sapparente 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, sil 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 dune énergie qui se transmet de proche en proche.
AQ1.4 La longueur dune onde sonore
Nous pouvons imaginer la propagation dun son par les vagues formées à la surface de leau lorsquune 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 dune extrémité. La principale différence entre une onde sonore et la corde vibrante ou la pierre dans leau consiste dans le fait que la propagation dun son à lieu dans toutes les directions.
En observant la corde vibrante, on constate, en prenant des "instantanés", un déplacement de londe ou front donde aux différents temps t.
Au temps t = t1, londe à parcouru une distance d1. De part son élasticité, la corde remonte au dessus de sa position dorigine.
Au temps t = t2, londe à parcouru une distance d2 qui est donc plus grande que d1. De plus, le front donde est déformé par sa grande amplitude.
La distance dessinée qui sépare deux zones de surpression est appelée longueur donde, symbolisée par la lettre lambda l [ m ]. La longueur donde est directement liée à la période (donc à la fréquence) du système en mouvement ainsi quà la vitesse à laquelle londe sonore peut se propager. La vitesse de propagation de londe sonore est appelée célérité c [ m/s ]. La formule générale liant lespace, le temps et la vitesse est applicable dans le cas dune onde sonore
- l = c × T = ------- c : célérité [m/s] = vitesse de propagation
AQ1.5 Lintensité acoustique dune 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 dondes sphériques et au delà de 1m dondes planes. A partir de cette distance de 1m, les mesures permettant de quantifier lénergie sonore mise en jeu deviennent plus fiables.
Sans rencontrer dobstacles, lintensité acoustique diminue avec la distance de la source sonore dune manière constante. Nous pouvons admettre une atténuation de -6dB chaque fois que la distance double.
En technique et en utilisant un système dunité normalisé, lénergie W à pour unité le Joule [ J ] ce qui permet détablir des correspondances énergétiques dun domaine de la physique à un autre. En mécanique, lénergie, appelée souvent travail, est définie par la distance d [ m ] effectuée à laide dune force F [ N ]. En électricité, lénergie 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 dénergie dune 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, lintensité dune onde sonore dépend de la variation damplitude des vibrations, représentées par la variation de pression D p, de la masse volumique r de lespace environnant et de la célérité c. En formule cela donne :
- D p2 Pa2 W
- J = ------------ [ ---------------------- = ------]
- 2 × r × c Kg /× m3 × m / s m2
En pratique, pour définir lintensité acoustique dune 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. Lappareil qui mesure lintensité acoustique, appelé sonomètre, affiche ses résultats en décibel.
J
N = 10 × log --------------- [ dBSL ]
J réf
Lintensité acoustique de référence Jréf à été choisie au seuil daudibilité de loreille humaine, soit à 1 pW/m2.
Jréf = 1 × 10 E-12 [ W/m2 ]
AQ1.6 La qualité dune 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 dune 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 dune onde sonore qui nous permet de distinguer un piano et une guitare jouant simultanément la même note.
Notre sens de louïe nous permet de distinguer lamplitude des vibrations et surtout leurs variations damplitude. Devant la bouche dun homme parlant normalement, la " pression sonore " de lair varie seulement dun millionième de la pression atmosphérique ambiante.
Même si la perception sonore varie dune personne à lautre, nous réagissons dune 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 lâge et une diminution de la sensibilité de la perception des sons est souvent constatée.
AQ1.7 Limportance 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 découte présent autour de la source sonore, va fortement influencer notre perception sonore. Nous avons tous déjà entendu la différence découte dans une voiture ou dans une église, par exemple.
Pour démontrer limportance de lespace autour de la source sonore, lexemple le plus frappant est labsence dun son dans le vide dair. Comme dans le vide dair il ny a pas de molécules, nous pouvons considérer quil ny a pas de milieu ambiant et de ce fait il ne peut y exister donde sonore.
En plein air, par exemple au milieu dune grande plaine utilisée pour un concert de musique, nous parlons de propagation en champ libre, cest 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 dun nombre considérable de facteurs. Entre autres, la température, lhumidité, la pression du milieu ambiant, les forces liants les molécules entre elles, vont fortement influencer la propagation dune 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 londe initiale se retrouvera déformée en quantité et en qualité. Nous parlons dinterférences. Voir à cet effet la page du site AQ2 La propagation des sons.