Dans un milieu compressible, le plus souvent dans l'air, le son se propage sous forme d'une variation de pression créée par la source sonore. Un haut-parleur, par exemple, utilise ce mécanisme. Seule la compression se déplace et non les molécules d'air, si ce n'est de quelques micromètres. Lorsque l'on observe des ronds dans l'eau, les vagues se déplacent mais l'eau reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et non suivre les vagues (un bouchon placé sur l'eau reste à la même position sans se déplacer). Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations des atomes appelées phonons. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre. La vitesse de propagation du son (on parle également de la célérité) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un gaz parfait, la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. On voit donc que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d'inertie) et lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente. Quand il s'agit de l'atmosphère, il convient de connaitre en plus la structure thermique de la masse d'air traversée ainsi que la direction du vent car : le son se propage moins bien à l'horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. (Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l'antiquité) l'atténuation est nettement moins forte sous le vent. (Tant que son régime au sol n'est pas trop turbulent)
Le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, suite au refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un bruit distant de plus de à 5 km sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l'inversion en effet guide d'onde.
Les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par seconde dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre toutes les trois secondes, Dans des milieux solides (non gazeux) le son peut se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l'eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l'acier de 5050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide, car il n'y a pas de matière pour supporter les ondes produites (isolation phonique), le son se propageant grâce aux déplacements des molécules d'air. C'est une onde dite longitudinale, car les points matériels se déplacent dans le même sens que le déplacement de l'onde (l'autre type étant les ondes transversales).
Exemple avec une lame vibrante:
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La vibration mécanique de la lame se diffuse dans tout milieu précis (air, eau, acier, béton, etc.), il y a production d'une onde acoustique. C’est-à-dire une succession de surpressions et de dépressions momentanées. Autour du corps sonore, admis ponctuel, les ondes acoustiques se propagent dans toutes les directions : ce sont des ondes sphériques. A une certaine distance du corps sonore (>1m), et par simplification, on peut admettre, dans une direction donnée, que les ondes acoustiques se propagent avec un front plan : ce sont des ondes planes. |
CARACTERISTIQUES D'UNE ONDE ACOUSTIQUE
Fréquence et hauteur :
La fréquence représente le nombre de vibrations engendrées par le corps sonore en 1 seconde.
La fréquence est désignée par la lettre F et son unité est l’hertz [Hz].
On appelle la bande passante d’un objet, l’écart de fréquence (fréquences minimum à maximum) que peut émettre, recevoir ou garantir, etc. un appareil ou objet dans les limites d’une certaine qualité.
Exemples
L’oreille humaine perçoit des sons de fréquences situées entre 20 et 20000 Hz.
Les sons produits par la voix humaine sont compris environ entre 50 et 1000 Hz.
Un son de fréquence inférieure à 16 Hz (environ) est un infrason.
Un son de fréquence supérieure à 16 kHz (environ) est un ultrason
Les physiologistes s'accordent à dire que l'oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 20 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons). En moyenne un homme perd 1000Hz tous les dix ans. A 20 ans une personne entend jusqu'à 19000, a trente il entendra jusqu'à 18000. C'est pour cette raison qu'une personne agé ne sait plus qui parle, elle n'entend pas les harmonies qui caractérise la voie de chacun. (Elle entend un brouaa de basse)
Période:
La période représente la durée d'une vibration complète.
La période est désignée par la lettre T et son unité est la seconde [s].
La période est l'inverse de la fréquence: T=1/F
La longueur d’onde :
La longueur d’onde est une grandeur physique, homogène à une longueur, utilisée pour caractériser des phénomènes périodiques. Une onde est un phénomène physique se propageant et qui se reproduit identique à lui-même un peu plus tard dans le temps et un peu plus loin dans l’espace. On peut alors définir la longueur d’onde comme étant la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. On la dénote communément par la lettre grecque λ (lambda).
La longueur d’onde est l’équivalent spatial de la période temporelle. En effet, la longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période. Si on appelle c la célérité de l’onde et T sa période temporelle, on a : λ= C/F. Pour le calcul, bien respecter les unités de mesure C en mètre par seconde et F en hertz. Lambda est donc en mètre.
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La longueur d'onde est désignée par la lettre λ(lambda) et son unité est le mètre[m]. La longueur d’onde représente la distance entre 2 zones de surpressions |
La phase :
La phase indique la situation instantanée dans le cycle, d'une grandeur qui varie cycliquement. Le déphasage entre deux ondes est la différence entre leurs phases. Souvent, on mesure cette différence de phases à un même instant pour les deux ondes, mais pas toujours au même endroit de l'espace. Le déphasage entre deux ondes peut se mesurer comme :
* un angle (en radians ou degrés et même en tours) ;
* comme un temps (en secondes ou comme un multiple ou une fraction de la période) ;
* comme une distance (en mètres ou comme un multiple ou une fraction de la longueur d'onde).
La notion de déphasage n'est pas limitée à des ondes sinusoïdales. On peut parler de déphasage pour tout type d'onde ou phénomène périodique. Le déphasage nuit fortement aux spectre et timbre. Le hors phase annule des fréquences
Lorsque deux ondes de même fréquence se combinent, le signal résultant présente la même fréquence mais une amplitude qui dépend du déphasage entre les deux signaux initiaux.
Exemple: Lorsque le déphasage est nul, l’amplitude résultante est égale à la somme des amplitudes initiales, alors que si les ondes sont en opposition de phase (180°) l’amplitude résultante est égale à la différence des amplitudes initiales. Dans ce dernier cas, la somme de deux ondes de même amplitude est donc nulle.
Timbre :
Le timbre représente un son complexe formé de l'addition algébrique de plusieurs fréquences issues de la fréquence fondamentale. Les multiples de la fréquence fondamentale sont appelés des harmoniques (double H2, triple H3, etc.).
Le timbre est aussi appelée la tonalité. Il permet de différencier des sons de même fréquence et de même amplitude, émis par des instruments différents : trompette,violon, piano, etc. Un son pur comprend exclusivement la fréquence fondamentale
Le timbre permet d'identifier un son d’une façon unique. Deux sons peuvent avoir la même fréquence fondamentale et la même intensité; mais ne peuvent jamais avoir le même timbre. C’est l’identité sonore.
L’oreille est capable d’identifier les sons et les mémorise, le timbre est donc très important.
La vitesse:
La vitesse de propagation est la vitesse à laquelle la perturbation s’est produite. La vitesse de propagation est aussi appelée la célérité. A ne pas confondre avec la vitesse de déplacement des particules en vibration.Par analogie à l’électricité : vitesse de mise en mouvement des charges électriques et vitesse des charges dans le conducteur. Cette vitesse dépend de la température et du milieu dans lequel se produit la perturbation.
La vitesse de propagation est désignée par la lettre c et son unité est le mètre par seconde [m/s].
La vitesse de propagation s’exprime par la formule : c = λ ×F
Constantes physiques
Son dans l'air à 0 °C : 330 m/s et à 16 °C : 341 m/s
Son dans l'eau : 1400 m/s
Son dans l'acier : 5000 m/s
Dans le vide, le son ne peut pas se propager.
Amplitude et Intensité sonore:
L'amplitude est une autre caractéristique importante d'un son. L'intensité perçue dépend (entre autres) de l'amplitude : le son peut être fort ou doux (les musiciens disent forte ou piano). Dans l'air, l'amplitude correspond aux variations de pression de l'onde. L’intensité sonore représente la variation de la pression du milieu dans lequel s’est produit l’onde acoustique.
Les ondes sonores s’étalent à mesure qu’elles s’éloignent de la source. Comme l’aire d’une calotte sphérique de rayon R est 4piR 2, l’aire d’un front d’onde varie proportionnellement à R 2, et l’intensité ou la puissance par unité de surface varie
comme 1/R 2.
L'intensité sonore diminue avec le carré de la distance. Ainsi pour double l'intensité sonore, il faut quadrupler la puissance du signal. L'intensité sonore est désignée par la lettre J et son unité est le watt par mètre carré [W/m2].
Pour retenir: lorsqu'on s'éloigne d'une source du double de la distance, on perd 6Db.
Exemple : A 10 mètres d’une enceinte, je mesure 80 db et bien à 20 mètre je mesure 74 Db et à 40 mètre je mesure 68Db , juste avant on a vu que 10db c’est le double en sensation, cela veut dire qu’à 40m c’est 2 fois moins fort (en sensation) qu’à 10 mètres (on perds vite de l’énergie)
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| Intensité sonore | Seuil de l'audibilité |
On voit, par exemple, que pour un niveau sonore de 70 dB, un son de 50 Hz doit avoir un niveau supérieur de 15 dB au son de 1000 Hz afin que l'auditeur ait la même impression d'intensité sonore.
Le seuil d'audibilité dépend de la fréquence. Par convention, le seuil de l'audibilité est 1 kHz, on remarque qu'à 4Khz, il y a une petite bosse. C'est là qu'on entend le mieux. Une oreille moyenne peut encore percevoir une intensité
acoustique de : J(minimum) = 1 pW/m2. Ce qui correspond a une pression acoustique : P(minimum) = 20 microPa
L’intensité acoustique extrême pouvant être perçue en tant que son est dépendante de la fréquence. Le maximum se situe entre 400 Hz et 1000 Hz pour une intensité acoustique : J (maximum) = 100 W/m2.
Ce qui correspond a une pression acoustique : P(maximum) = 200 Pa
L'oreille ne possède pas une écoute linéaire en amplitude et fréquence. Elle est moins sensible au bas et à l'extrême aiguë.
C'est logique, le corps humain est très bruyant d'ou le stéthoscope du docteur. Le corps génère plutôt des fréquences basses (digestion, respiration, le coeur etc), il serait invivable d'entendre tout cela. L'oreille interne est fragile, avec le temps on perçoit de moins en moins le haut du spectre. (en moyenne on perd 1000 hz tous les 10 ans). On remarque que l'oreille est adapté à la bande passante et ses harmonies de notre voie (la vie est bien faite) soit 100 -12000 hz.
Différentes mesures de l'amplitude :
Il existe plusieurs façons de mesurer l'amplitude d'un son, et par extension, d'un signal quelconque de nature ondulatoire :
* l'amplitude moyenne (la valeur moyenne arithmétique du signal positif)
* l'amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)
* l'amplitude crête (maximale positive)
* l'amplitude crête à crête (l'écart maximal d'amplitude positive et négative)
Dans la pratique, l'amplitude moyenne présente peu d'intérêt et n'est pas utilisée. En revanche, la valeur efficace ou RMS, pour Root Mean Square en anglais, soit la valeur quadratique moyenne du signal est universellement adoptée pour mesurer la valeur des tensions alternatives, dans le cadre général autant qu'en acoustique. Un amplificateur qui est donné pour 10 watts RMS fera 14 watts en crête et 28 watts en crête à crête (aussi noté cc). Les mesures de puissance crête à crête sont assez souvent appelées « watts musicaux » par les vendeurs de matériel audiovisuel, car les chiffres sont plus flatteurs.
A suivre: MESURE D'UN SIGNAL ACOUSTIQUE