10- Etude des sons

1- Nature du son 

Les bruits que nous entendons sont des sons : Ces sons se diffencient entre sons forts ou faibles, graves ou aigus, harmonieux ou non harmonieux. Si nous rapprochons d'un haut parleur fonctionnant à pleine puissance, nous ressentons de fortes vibrations dans l'air. Telle est la caractérisation du son donnée par un scientifique : Un choc ou  copression font vibrer les moléculles de l''air, et cette vibration gagne les molécules voisiines, en vertur de l'élasticité de l'air.Celle-ci, dérangées dans leur position d'équilibre agissent à leur tour de proche en proche. Des zones, de compression, se forment alors, qui ne tardent pas à se détendre, tandis que de nouvelle zone de compression  s'établissent plus loin. La perturbation moléculaire se propage  donc sous forme d'ondes. Sa vitesse  de propagation dans l'air est d'environ 340 m/s.

Ainsi, lorsque nous disons : "Il n'y a aucun son", le scientifique précisera : "Il n'y a pas de son audible" car en effet il existe des perturbations de l'air auxquelles, l'ouie reste insensible, un son trop faible par exemple.

Nous caractérison un son par sa sonorité, c'est à dire son intensité, sa hauteur de timbre et son timbre. Selon que le son est fort ou faible, l'intensité est plus ou moins grande; elle dépend de l'influx d'énergie sonore, c'est -dire : l'amplitude du déplacement moléculaire qui est directement reliée à la variation de pression de l'air. Pour caractériser la la hauteur d'un son, Nous disons qu'il est grave ou aigu; celle-ci est déterminé par la fréquence des oscillations accoustiques : Aux basses fréquences correspondent des sons graves et aux hautes fréquences des sons aigus, l'ensemble des fréquences audibles s'échelonnant de 20 Hz à 20 000 Hz. Par timbre, nous signifions personnalité du son: deux instruments musicaux différents accordés sur la même note ne produisent pas la même sensation auditive. En fait le timbre est relié à la fréquence relative d'harmoniques, les harmoniques étant des fréquences multiples de la fréquence fondamenetale émise. (ex : LA 440 emis par une flute et par une guitare) Le spectre des fréquences qui constituent le son, soint le nombre le rang et l'amplitude des harmoniques caractérie donc ce que nous désignons par timbre.

Pour expérimenter :

http://hotamateurprograms.com/downloads.htm 

Audio Spectrum Analyzer, Version 1.26, Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8.1, and Windows 10 Compatible

Audio Generator/Audio Spectrum Analyzer, Version 1.20, Windows XP, Windows Vista, and Windows 7, Windows 8.1, and Windows 10 Compatible

Cette courte introduction nous a permis de distinguer les caractéristiques objectives et subjectives des sons. Les caractéristiques objectives sont  quantifiables et msurables. Nous allons analyser chacune d'entre elle séparement.

Tableau 1

Equivalence des caractéristiques objectives et subjectives des sons

Caractéristiques subjectives

Caractéristiques objectives

Hauteur

Fréquence

Intensité

Variation de la pression de l’air

Timbre

Spectre sonore

2- Intensité du son :

L'intensité d'une onde sonore correspond au flux d'énergie sonore par unité de temps. Elle est proportionnelle au carré de l'amplitude de la variation de la pression  de l'air et se mesure en W/mainsi  pour éveiler une sensation auditive chez une personne jeune, il suffit d'une énergie de 10-12 W/M2.

Cependant, nous préférons une autre unité : le bel  ou le décibel qui sont des unités relative. En général  nous choisissons  la pression correspondant  au seuil de l''audition soit 10-12 W/m2 comme référence en définissions :

Nombre de bels  = log \(I \over Io\) 

Nombre de décibel  = 10 x log \(I \over Io\) 

I et Io représentent des intensités sonores : I est l'intensité sonore effective et Io celle qui correspond au seuil de l'audition au soit soit 10-12 W/m2.

Une intensité de 0 dB correspond donc au seuil de l'audition ; une conversation normale se déroule  à une intensité  de 50 dB environ. Lorsque l'intensité des sons augmente, la sensation auditive devient désagrable sinon  douloureuse, le seuil de douleur se situant enre 130 et 140 dB. Ajoutons  que les seuils d'audition et de douleur peuvent varier d'une personne  à une autre ; ces niveaux sont des valeurs approximatives mesurées sur un vaste échantillon de personnes Enfin, il y a,avec l'âge, une détérioration des facultés auditives. Le tableau 2 présente quelques niveaux sonores courants :

Tableau 2

Exemples de niveaux sonores

0 dB

Seuil d’audition ou bourdonnement de moustique à 2 m

20 dB

Intérieur d’un studio d’enregistrement

40 dB

Conversation normale

60 dB

Conversation vive

80 dB

Rue bruyante

100 dB

Marteau piqueur à 2 m

120 dB

Réacteur d’avion à 15 m

130 à 140 dB

Seuil de la douleur

Notre expérience quotidienne nous montre que l'intensité du son décroît avec la distance à la source sonore. En fait l'intensité décroit de façon inversement proportionnelle au carré de la distance ; une partie de l'énergie sonore est absorbée par le milieu pour être transformée ensuite en chaleur.

3- Fréquences des sons :

Les sons composés d'une seule fréquence sont en général très rares : la majorité des sons réels sont des sons complexes. Ils sont formés de combinaisons plus ou moins compliquées de sons de fréquences définies. L'oreille humaine est sensible aux fréquence allant de 20 Hz à 20 000 Hz, couramment désignées fréquence Audio. Pour toute fréquence en dehors de ce domaine - infrason ou ultrason - il n'y a pas de réaction auditive.

Les lecteurs CD, DVD, récepteur radio , sont des systèmes de son qui doivent retransmettre toues les fréquences constituantes du son. Le domaine des fréquences reconstitué au moyen d'un système audo, vaire selon la qualité de reproduction (la fidélité)  désirée. Un système audio reproduisant les fréquences s'étalant entre 20 Hz et 20 Khz est considéré comme système haute fidélité. Une bande de fréquence inférieure à celle qui est nécessaire pour la musique est suffisante lorsqu'il s'agit de reconstituer la parole.

La reconsitution fidèle du timbre naturel de la voix est possible grâce à l'utilisation des fréquences allant de 200 à 8000 Hz ou 10 000Hz. En téléphonie, l'on se contente  d'une bande de fréquence de 400 Hz à 3.2 KHz : la fidélité du son devient moins bonne, mais la voix reste encore parfaitement intelligible. 

Cependant, dans les systèmes de haute fidélité, la reproduction d'un son s'avère  être beaucoup plus fidèle lorque celle-ci  comprend les harmoniques qui se situent dans le domaine des ultrasons, c''est à dire les sons dont la fréquence dont la fréquence est supérieure à 20 KHz.

En musique, on emploie une échelle de hauteurs de sons subjectifves : les octaves et les tons. Une octave correspond  à une intervalle dont les fréquences fondamentales sont dans le rapport 2 : 1. Quoiq'originellement l'octavbe ait été définie de façon subjective, la définition objective en termes de fréquence reste équivalente.

La gamme complète des ons se compose d'un plus de dix octaves. Chaques octave est divisée en notes musicales : do, ré, mi fa, sol, la, si. Le ton est l'intervalle séparant le do (ou ut) du ré, le ré du mi, le fa du sol ainsi que le la du si, le demi-ton est l'intervalle qui sépare le mi du fa et le si du do. Il correspond à la moitié de l'intervalle d'un ton.

Un instrument de musique est accordé sur la note "laé de la cinquième octave, fréquence de référence fournie par les diapasons et égale à 440 Hz.

4- Présentation de quelques effets sonores particuliers :

Le battements

Lorsque deux ondes sonores de fréquences voisines sont transmises en même temps, les ondes de pression s'ajoutent à certain moments, s'annulent ) d'autres : l'on perçoit alors un son unique dont l'amplitude varie lentement. Ce sont est généralement assyez désagréable à l'ouïe.

Cet effet de battement est utilisé par les musiciens pour accorder leurs instruments :lorsque les deux notes produites sont proches, on perçoit le phénomène de battement. Lorsque les instruments sont parfaitement accordés, le phénomène de battement disparaît car les deux notes ont des fréquences parfaitement égales

​L'effet doppler

Lorsqu'une source sonore est en mouvement, la fréquence perçue par l'auditeur est différente de celle transmise par la source. Lorsqu'une voiture  ou un train nous croise, nous percevons un brusque chanquement de ton. Lorsqu'il y a rapprochement entre la source sonore et l'auditeur, le nombre d'ondes sonores rencontré est plus grand que lorsque celle-ci est immobile et la fréquence perçue est donc plus grande. De façon similaire, lorsqu'il y a éloignement entre la source sonore et l'auditeur, l'onde sonore est étirée et el nombre d'oscillations reçues par unité de temps - la fréquence perçue de l'onde diminue.

PS :  On retrouve le même phénomène avec les ondes électromagnétiques par exemple avec les satellites non stationnaire, avec la station spatiale ISS etc. Avant que la station passe la fréquence est légèrement plus grande et diminue lorsque la station s'éloigne de notre QRA.

Ondes stationnaires 

Lorsque deux sources sonores identiques se déplaçant en sens inverse se rencontrent, dans le cas par exemple d'un son réfléchi par les murs, des ondes stationnaires peuvent se former : Les mouvement de compressions et dépression de l'air se font sur place. Le mouvement des molécules d'air est nul à certains endroits. Ce sont les nœuds. A d'autres, le déplacement moléculaires est maximal : ce sont les ventres. L'alternance des ventres et des nœuds se fait à chaque quart de la longueur d'onde et la distance entre deux nœuds ou deux ventres consécutifs est égale à une demi-longueur d'onde.

Les instruments de musique utilisent cette propriété afin de produire des sons d'une fréquence voulue : par exemple, les noeuds naturels dans unstruments  à corde se situent auix extrémités de la corde ; celle-ci  peut être pincée (harpe), frappée (piano) ou raclée (violon)  afin d'y créer un ventre ou un noeud, la distance entre deux noeuds étant égale à un nombre entier de demi-longueur d'onde. Les ondes stationnaires sont indésirables dans une salle de concert par contre, l'architecture de celle-ci doit viser à leur élimination.

5- Propagation du son :

Célérité du son :

Le terme célérité est préféré au terme vitesse car il n'y a pas de déplacement physique des molécules dans l'air, mais seulement  une vibration qui se communique  entre celle-ci. La célérité des ondes sonores est approximativement  de 340 m/s dans l'air dans des conditions normales de température et de pression. Cette célérité dépend uniquement du milieu de propagation caractérisé par sa densité, sa pression et sa température. La célérité du son augmente du son augmente avec la température, la pression et l'élasticité du milieu. Plus la densité du milieu est grande, plus la célérité du son est petite.

Tableau 3

CELERITE DU SON DANS DIFFERENTS MILIEUX

Air à 0°C et sous la pression atmosphérique

331 m/s

Vapeur d’eau à 100°C

405 m/s

Liège

500 m/s

Eau à 20°C

1440 m/s

Béton armé

1000 à 2000 m/s suivant composition

Cuivre

3580 m/s

Acier

5800 m/s

Longueur d'onde d'un son  :

La longueur d'onde d'un son est la distance parcoure par le son durant une période d'oscillation donée. Ainsi , une onde de fréquence de 1 KHz aura une longueur d'onde de :

\(\lambda \)\(C \over F \) = \(340 \over 10^3\) = 0.34 m dans l'air

\(\lambda \)\(C \over F \) = \(1440 \over 10^3\) = 1.44m dans l'eau à 20°C

La réflexion, réfraction et diffraction :

Comme tout phénomène ondulatoire, les ondes sonores peuvent être réfléchies, réfractées, diffractées. La réflexion d'un son par une paroi nous familière : c'esgt l''echo sonore. Une paroi dure et compacte, réflécht la presque totalité de l'énergie sonore ; une paroi dont la densité est plus grande qu e celle du milieu de propagation du son réfléchit partiellement l'énergie sonore et en absorbe  une autre partie. Les mlois de réflexion sont similaires à celles d'un rayon lumineux, l'angle d''incidence étant égale à l'angle de réflexion.

La réfracttion des sons obéit à la loi de Snell. Celle-ci  se traduit  par l'égalité du rapport des sinus des angles d'incidence et de réfraction au rapport des célérités de son dans les milieux de propagations. Il existe un angle limite pour lequel il n'y à pas de réfraction, mais réflexions totale.

La diffraction des sons est facilement vérifiable : Un son émis au travers d''n orifice se propage ensuite radialement comme si l'orifice comme si l'orifice  en question devenait une source sonore (loi de Huygens).

Commentaires

1-

2-

3-

Combien y-a-t-il d'octaves dans une bande de fréquence de 1 et 16 KHz

Calculer le niveau sonore en dB d'un son de pression accoustique de 150 mW/m2 ?

Calculez les fréquences harmoniques 3 et 8 d'un LA440 ?

A quelle distance se trouve une montagne produisant un écho de 2.5 s ?

Donnez les limites en intensité et fréquence de l'oreille humaine ?

Quelle est la fréquence située 3 octabes plus loin que le LA440 ?