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AQ2.1 La vitesse de propagation dun onde sonore
Une onde sonore est caractérisée par un mouvement densemble des particules constituant le milieu de propagation. Ces particules vibrent et entrent en collision les unes avec les autres tout en gardant leur position moyenne constante. Il apparaît dès lors naturel que la propagation de londe va fortement dépendre des propriétés mécaniques du matériau traversé.
Létude de la propagation des sons fait intervenir les lois physiques des modes de transfert de lénergie mécanique, ainsi que de la mécanique des fluides.
En simplifiant, nous pouvons dire que la vitesse à laquelle une onde sonore se déplace dans un matériau, vitesse appelée célérité c, est déterminée par la grandeur des forces qui lient les molécules entre elles. Sans entrer dans trop de détails, nous pouvons admettre que la célérité dépend dun facteur de compressibilité k (= mesure de la résistance à la compression) et de sa masse volumique r . Nous pouvons admettre :
k
c = Ö -------- [ m / s ]
r
Ces grandeurs varient en fonction de la température, la pression, etc. et sont fortement interdépendantes les unes des autres. De ce fait, la propagation sonore va en dépendre également (et devenir une science complexe). Le tableau ci-dessous indique les grandeurs de masse volumique et de célérité sonore pour quelques matériaux :

Matériau

Masse volumique
r [Kg/m3]

Célérité
c [m/s]
|Air (0degré)||

1,293

331
|Air (20degrés)||

1,20

344
|Alcool (éthylique)||

790

1207
|Eau (pure)||

998

5000
|Aluminium||

2700

5000
|Fer||

7900

5120
AQ2.2 Phénomènes liés à la propagation dune onde sonore
La propagation dune onde sonore est fortement dépendante de la nature du milieu dans lequel elle se propage. Lorsquelle change de milieu ou quelle rencontre des obstacles, la propagation de londe sonore est déviée.
Pour une onde, un obstacle consiste en un milieu dans lequel les propriétés physiques de propagation sont différentes.
AQ2.2.1 La réflexion
Une onde sonore rencontrant une surface lisse et non déformante rebondit comme une boule de billard. Londe incidente est réfléchie et donne lieu à une nouvelle onde, onde réfléchie, semblable mais de direction différente.
Par exemple, si par réflexions successives londe revient à son point de départ, se produit le phénomène bien connu de lécho. Dans une salle nue aux parois lisses, les réflexions multiples peuvent créer non seulement un écho bien trop important, mais également une persistance exagérée et désagréable des sons, phénomène appelé réverbération.
Un arrière de scène de forme parabolique permet laugmentation de lénergie rayonnée dans la direction désirée.
Un sonar est un dispositif permettant la localisation des fonds marins par réflexions des ondes sonores envoyées depuis la surface. Ces deux exemples utilisent les phénomènes de réflexion.
AQ2.2.2 La diffraction
Lorsquune onde sonore arrive à proximité dun obstacle, elle va le contourner. Larrête de lobstacle devient le centre de la nouvelle onde secondaire, appelée onde diffractée. La fente présente sous une porte ou louverture, même minime, dune fenêtre deviennent une nouvelle source sonore.
La diffraction représente une des difficultés à surmonter pour lisolation dun local.
AQ2.2.3 La réfraction
Si le front dune onde sonore passe dun milieu ayant une célérité c1 dans un autre milieu ayant une célérité c2, sa direction va en être modifiée. Londe est déviée et produit une onde réfractée ainsi quune onde réfléchie.
Les ondes secondaires possèdent bien sûr moins dénergie que londe incidente, la différence étant dissipée en chaleur par le matériau.
AQ2.2.4 Labsorption
Pour supprimer une onde acoustique, il faut transformer son énergie rayonnante en une énergie non perceptible auditivement, par exemple en chaleur.
Grâce aux réflexions successives, une porosité du matériau absorbant facilite la " capture " de londe sonore. A chaque point de réflexion une partie de lénergie est réfractée dans le matériau et transformée en chaleur.
Un isolant phonique idéal devrait avoir des spécifications atomiques et électromagnétiques telles que l'on parle d'un matériau isolant comme étant dense, amorphe, non cristallin et poreux.
Or ces propriétés sont contradictoires, et l'on remarque d'instinct les propriétés acoustiques des rideaux, tentures, fibres de verre, tôle, etc.
Si l'isolation phonique d'une salle doit être améliorée, on mettra l'accent sur l'épaisseur, la masse et le pouvoir de rayonnement, exprimé par un coefficient d'absorption du matériau.
Si, par contre, l'on vise une réduction de la réverbération, donc sur la diminution de réflexions successives, il faut insister sur le caractère lacunaire du revêtement de la paroi.
La réalisation de salles de concerts ou dopéras est un véritable casse-tête pour les ingénieurs acousticiens. Les dimensions de la salle, les ouvertures (portes, fenêtres, arrière scène, etc.), les matériaux qui composent les parois, le plafond, les sièges, etc., vont fortement influencer la propagation des ondes sonores, et ce de manière variable en fonction de la fréquence!
Pour réaliser un studio denregistrement, un minimum de réflexions sera recherché ainsi quune neutralité en fréquence la plus élevée possible. Des chambres dans lesquelles il nexiste pratiquement aucune réflexion avec une isolation vis-à-vis de lextérieur presque parfaite sont utilisées par exemple pour la mesure de caractéristiques d'appareils acoustiques (microphones, haut-parleurs, etc.). Elles sont appelées chambres anéchoïdes.
La réalisation de chambres anéchoïdes demande des matériaux se mettant en vibration que très difficilement, présentant une aspérité importante à leur surface et d'une épaisseur non négligeable.
AQ2.2.5 Linterférence
Pour expliquer simplement la notion d'interférence, observons le cas de deux sources sonores situées à une certaine distance l'une de l'autre engendrant chacune le même son dans un espace de volume défini et réfléchissant. Le croquis ci-dessous représente un état instantané de la répartition de la pression acoustique dans l'espace.
Supposons les surfaces claires identiques à des endroits de rencontre de surpressions de la source sonore A avec celles de surpressions de la source sonore B. Ce sont des lieux où les sons A et B sont en phase. Leurs deux ondes s'additionnent et l'intensité sonore résultante est renforcée.
A linverse, supposons les surfaces sombres identiques à des endroits de rencontre de surpressions de la source sonore A avec des dépressions de la source sonore B. Ce sont des lieux où les sons A et B sont en opposition de phase. Leurs deux ondes se soustraient et l'intensité sonore résultante est réduite.
Les conséquences de ces interférences sont nombreuses et entraînent des modifications de la " qualité " de londe sonore. En effet, ces zones de renforcement et de diminution de londe sonore résultante sont dépendantes de la fréquence. Certains endroits dune salle favorises les aiguës, dautres les fréquences graves.
Ces phénomènes peuvent aller parfois jusquà l'inaudibilité ou l'incompréhension du signal, si ce n'est son extinction.
La répétition successive des interférences en un milieu peut donner naissance à une forme de résonance traduite par un sifflement ou bourdonnement continu et souvent gênant si ce phénomène persiste.
C'est de l'interférence des ondes entre elles que l'étude de l'acoustique des salles est aussi complexe et nécessite des mesures, des calculs et des essais empiriques à n'en plus finir, mais non moins passionnants.
AQ2.3 Les cas particuliers de propagation :
AQ2.3.1 La propagation sélective
Les déviations amenées à une onde sonore par la traversée de milieux différents est utilisée en électronique pour effectuer la fonction de filtre acoustique. Il sagit de la propagation dans des milieux solides ayant des célérités différentes et des formes particulières.
Supposons un générateur sonore délivrant une onde dont la quantité d'énergie est indépendante de la fréquence du signal émis. Si cette onde traverse successivement trois milieux possédants des caractéristiques de propagation différentes, certaines fréquences vont être favorisées alors que d'autres seront atténuées.
Le schéma ci-dessus nous indique qu'une partie des ondes seront réfléchies (R '- R'') et vont s'additionner géométriquement à l'onde initiale. Il en résulte des ondes dites stationnaires. Elles vont perturber le signal incident à tel point que la composition en fréquence de l'onde sortante en est très fortement modifiée.
Si un morceau d'une matière à structure cristalline, le quartz par exemple, est taillé en rapport avec les longueurs d'ondes à transmettre, nous obtenons un élément vibrant qui propage des ondes ayant une plage de fréquences très étroite.
Le signal électrique appliqué sur une des métallisations des surfaces engendre, par la propriété de piézoélectricité, une onde sonore. Le quartz vibre en fonction de l'onde ainsi créée, et la vibration résultante à la sortie possède une composition en fréquence très bien définie.
Lélément ainsi obtenu porte le nom de filtre à ondes de surface (FOS) et sa courbe de réponse, idéalisée ci-dessus, peut être très précise comme dans le cas du " gabarit MF " en télévision.
AQ2.3.2 Leffet Doppler
Nous avons tous déjà constaté la modification de la perception dune onde sonore lorsque la source sonore est en déplacement. Le sifflement dun train, ou dune ambulance, paraît de fréquence élevée lorsquil sapproche et de fréquence basse lorsquil séloigne. M. Christian Doppler, physicien autrichien (1803 - 1853), a été le premier à donner une explication scientifique à ce phénomène.
Limage ci-dessous représente une source sonore en mouvement. Le déplacement de la source produit des fronts dondes rapprochés dans la direction du mouvement et écartés dans la direction opposée.
Si la source se déplace à une vitesse vs, la fréquence perçue par lobservateur f deviendra :
et
Nous pouvons préciser ici que ce phénomène est également valable lorsque lobservateur se déplace et la source sonore fixe. La fréquence perçue sera plus élevée lorsque lobservateur sapproche de la source sonore et plus basse lorsquil sen éloigne. Dans ce cas, le calcul de cette fréquence perçue devient :
et
Ajoutons que ce phénomène est valable pour la propagation des ondes électromagnétiques, bien quelles soient de nature totalement différentes.
AQ2.3.3 Le mur du son
Lors d'une onde de forte intensité, on observe une déformation du front de l'onde. Particulièrement lors d'une explosion ou lorsque la source sonore se déplace à une vitesse égale ou supérieure à la célérité du milieu. On parle d'onde de choc, de "mur du son".
Il sagit dune particularité de leffet Doppler. La vitesse de déplacement v est égale à la célérité c du milieu. Les ondes émises restent " sur place " par rapport à la source sonore. Cela provoque un front donde très dense, à limage dun mur. Le claquement dun fouet produit également un tel front donde.