| Son (physique)

Son (physique)

Le son est une vibration mécanique d’un fluide, qui se propage sous forme d’ondes longitudinales grâce à la déformation élastique de ce fluide. Les êtres humains, comme beaucoup d’animaux, perçoivent cette vibration grâce au sens de l’ouïe.

L’acoustique est la science qui étudie les sons ; la psychoacoustique étudie la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.

Propagation du son

Article détaillé : Vitesse du son.

Propagation d’ondes sphériques de pression dans un fluide

Dans un milieu fluide compressible, le plus souvent 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. La compression se propage, mais les particules d’air oscillent seulement de quelques micromètres autour d’une position stable, de la même façon que lorsqu’on jette une pierre dans l’eau, les vagues se déplacent en s’éloignant du point de chute, 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). Dans les fluides, l’onde sonore est longitudinale, c’est-à-dire que les particules vibrent parallèlement à la direction de déplacement de l’onde.

Les solides, en vibrant, peuvent transmettre un son. La vibration s’y propage, comme dans les fluides, avec une faible oscillation des atomes autour de leur position d’équilibre, résultant en une contrainte du matériau, équivalent à la pression dans un fluide, mais plus difficile à mesurer. La rigidité du matériau permet la transmission d’ondes de contraintes transversales.

De même, quoique dans une moindre mesure, la viscosité d’un fluide peut modifier, particulièrement dans des conditions extrêmes, les équations de propagation calculées pour un gaz parfait.

La vitesse de propagation ou célérité¹ du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Dans un gaz parfait la vitesse de propagation du son est donnée par la relation :

c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi_S}}

où

\,\rho

est la masse volumique du gaz et

\,\chi_S

sa compressibilité isentropique.

On voit que la vitesse de propagation du son diminue

lorsque la densité du gaz augmente (effet d’inertie)
lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l’effet de la pression) augmente.

Dans l’eau, la vitesse du son est de 1 482 m/s. Dans d’autres milieux, les vibrations peuvent se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l’acier, les vibrations se propagent-elles de 5600 m/s à 5900 m/s . Le son ne se propage pas dans le vide, faute de matière dont la vibration pourrait se propager en ondes sonores (isolation phonique).

Propagation dans l’atmosphère

Quand il s’agit de l’atmosphère, il convient, pour prévoir la propagation du son, de connaître 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 gradient de vent couche l’onde sonore en la rabattant vers le sol (la vitesse du vent augmente avec la hauteur par rapport au sol), à l’inverse, l’onde voyageant contre le vent s’entend beaucoup moins (au sol) car le même gradient la dévie vers le ciel.

– le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, à la suite du refroidissement nocturne, il est possible d’entendre un train à 5 km d’une voie ferrée 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 340 m/s dans des conditions normales de température et de pression.

Exemple du calcul de la distance d’un éclair :

On peut arrondir la célérité du son à un kilomètre toutes les trois secondes afin de calculer assez facilement, bien qu’approximativement, la distance qui sépare l’observateur d’un éclair pendant un orage. En effet, les éclairs sont suffisamment proches pour qu’on puisse considérer en percevoir la lumière instantanément. Chaque période de trois secondes qu’il faut ensuite attendre pour entendre le tonnerre représente donc à peu près un kilomètre. Ainsi, pour une attente de 8 secondes, la distance qui sépare l’observateur de l’éclair est de 8 × 340 = 2 720 m ; ou, plus simplement 2 kilomètres deux tiers.

Étant donné la méthode d’estimation, plus de précision est illusoire. Même sans tenir compte du temps de réaction humaine (si on comptait, par exemple, le temps écoulé sur un enregistrement vidéo), il est improbable que dans une atmosphère perturbée par des vents violents et des différences de température et d’humidité considérables l’onde sonore se déplace toujours en ligne droite et à la même vitesse².

L’impression sonore

Article détaillé : Psychoacoustique.

Comme pour tous les phénomènes perçus, le temps joue un rôle fondamental. Le son étant une variation de la pression, et l’information sonore une variation de cette variation, l’impression sonore dépend à plusieurs égards du temps. Le son étant aussi une onde qui se propage dans l’espace au cours du temps, il existe des relations étroites entre l’espace et le temps, tant dans l’étude du son que dans sa perception.

On distingue plusieurs caractères du son :

la direction d’origine,
l’intensité, dite aussi volume ou sonie,
la hauteur, qui se décompose en hauteur tonale et hauteur spectrale,
le rythme,
le timbre.

Il suffit qu’un de ces caractères varie, les autres restant inchangés, pour qu’on perçoive une différence. Par ailleurs, les êtres humains sont capables de distinguer et de suivre une émission sonore dotée d’une certaine continuité de caractères au milieu d’une quantité d’autres (effet cocktail party).

Intensité, sonie

Articles détaillés : Sonie, Pression acoustique, Intensité acoustique, Décibel (bruit) et Décibel A (dB A).

La psychoacoustique étudie l’intensité sonore ressentie en présence d’un son physique donné. Cette impression de son fort ou doux (les musiciens disent forteou piano) dépend principalement de la valeur efficace de la pression acoustique, qui est la petite variation de pression atmosphérique qui définit le son.

On peut utiliser deux grandeurs, liées entre elles, pour exprimer le niveau sonore : l’intensité acoustique, en watts par mètre carré, ou la pression acoustique, en pascals (newton par mètre carré, N.m^-2). On mesure la pression acoustique en un point avec un sonomètre ; l’intensité acoustique, qui inclut la direction de propagation de l’onde et est moins directement reliée à la perception³ et moins accessible à la mesure, sert pour les calculs d’acoustique.

Cependant, on utilise rarement ces unités physiques dans la communication courante.

– il est peu commode de représenter des valeurs de pression acoustique en Pascals (Pa) étalées sur une échelle de un à un million, des sons les plus faibles aux plus forts, et moins encore de représenter les intensités, étalées sur une échelle de un à mille milliards ;

– la sensibilité de l’oreille est relative, c’est-à-dire qu’une augmentation de la pression acoustique de 1 Pa à 1,5 Pa est perçue comme identique à une augmentation de 0,1 Pa à 0,15. Ce qui compte, c’est le multiplicateur (dans les deux cas, +50 %).

La pression sonore et l’intensité s’expriment souvent en décibels (dB). C’est une grandeur sans dimension, un Bel étant le logarithme décimal du rapport de puissance entre une grandeur caractéristique du son étudié et celle d’un son de référence. Ces valeurs de référence sont, pour l’intensité acoustique, I₀ = 1×10^-12 W⋅m^-2 (un picowatt par mètre carré) et pour la pression acoustique P₀ = 2×10^-5 Pa (20 micropascals).

Les décibels se réfèrent au logarithme décimal de la puissance. L’intensité acoustique est une puissance par mètre carré, donc multiplier l’intensité acoustique par 10, c’est augmenter le niveau sonore de 10 dB, la multiplier par 100, c’est augmenter le niveau de 20 dB, etc. La puissance est proportionnelle au carré de la pression : multiplier la pression acoustique par 10, c’est multiplier la puissance par 100, donc augmenter le niveau de 20 dB, et multiplier la pression acoustique par 100, c’est multiplier la puissance par dix mille, et ajouter 40 dB au niveau.

Le niveau 0 dB correspond à un son pratiquement imperceptible. Tous les niveaux sonores sont donc des nombres positifs.

Le niveau de pression acoustique ne donne qu’une première idée de la sonie ou bruyance (sensation sonore perçue). La sensibilité de l’oreille varie selon la fréquence du son ; l’oreille est plus sensible aux fréquences moyennes. Pour se rapprocher de cette sensibilité, le signal électrique qui représente la pression acoustique peut être filtré. De nombreuses lois et règlements imposent un filtre à pondération « A ». On parle alors de décibel pondéré A ( dB A).

Différentes mesures du niveau d’un son

Le niveau d’un son, c’est-à-dire la sensation sonore, dépend de la puissance transmise aux oreilles des auditeurs. Pour l’évaluer, on utilise un microphone qui transforme la pression acoustique en un signal électrique que l’on mesure. La grandeur qui reflète le niveau sonore est la valeur efficace de la pression acoustique ou de la tension électrique qui la représente, qui est la valeur continue qui produit la même puissance que le signal. La valeur efficace est la racine carrée de la moyenne quadratique des valeurs du signal, dite aussi valeur RMS (Root Mean Square).

Dans les études de protection contre les bruits, on considère

les valeurs efficaces pondérées en fréquence sur un petit espace de temps,
le cumul des valeurs efficaces pondérées en fréquence sur le temps d’exposition,
les valeurs de crête, qui peuvent, si elles sont extrêmes, occasionner un traumatisme, sans pour autant affecter les valeurs efficaces si elles sont à la fois brèves et rares.

Article connexe : Sonomètre.

Toutes ces mesures se réalisent sur un point. Mais le son se propage en ondes dans l’atmosphère dans toutes les directions. L’étude d’un son inclut l’étude de sa propagation dans les trois dimensions, et pour un point donné, la mesure peut inclure celle de la direction de propagation (voir Intensité acoustique).

Fréquence et hauteur

Humains

Article détaillé : Tonie.

Les physiologistes s’accordent à dire que l’oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une plage de fréquences située entre environ 16 Hz et 15 à20 kHz⁴. La sensibilité diminuant progressivement aux fréquences extrêmes et variant selon les individus, la perception des aiguës diminuant notamment avec l’âge, et celle des graves se confondant finalement avec celle des vibrations, on ne peut désigner de limite absolue.

En dessous de 10 Hz les vibrations du milieu sont appelées infrasons ; au-dessus de 20 kHz, on parle d’ultrasons et à partir de 1 GHz, d’hyperson.

En gros, les sons graves correspondent à une fréquence faible et un son aigu à une fréquence élevée.

Le spectre sonore est directement lié à la sensation d’acuité d’un son, qui s’exprime en disant que le son est plus « aigu », quand le spectre est centré sur les hautes fréquences, ou plus « grave » ou « sourd » dans le cas contraire. Cette sensation relativement imprécise s’étend des sons les plus graves, vers 16 Hz, aux plus aigus, vers 15 000 Hz.

Si le son est harmonique, c’est-à-dire qu’il contient des fréquences multiples d’une fondamentale audible, cette fréquence, telle qu’elle s’exprime en hertz (Hz), détermine la hauteur tonale d’un son perçu entre approximativement 20 Hz et 5 000 Hz, c’est-à-dire que les humains savent reproduire la note en la chantant, et l’identifier s’ils ont un entraînement au solfège⁵. Les humains identifient assez bien la répartition des fréquences, et dans les sons harmoniques, celle-ci est un élément important du timbre musical. La tonie discrimine finement des fréquences proches, bien que, si le spectre est riche en harmoniques, les erreurs d’uneoctave soient plus fréquentes que les autres. On peut créer des illusions auditives comme celle de la gamme de Shepard, qui semble monter éternellement ses degrés, en jouant sur ces deux aspects de la perception des fréquences sonores⁶.

Autres mammifères

Cette section ne cite pas suffisamment ses sources. Pour l’améliorer, ajouter en note des références vérifiables ou les modèles {{Référence nécessaire}} ou{{Référence souhaitée}} sur les passages nécessitant une source.

Tout être vivant doté d’une ouïe ne peut percevoir qu’une partie du spectre sonore :

le chat peut percevoir des sons jusqu’à 65 kHz^{[réf. souhaitée]} ;
le chien perçoit les sons jusqu’à 45 kHz^{[réf. souhaitée]} ;
la chauve-souris et le dauphin peuvent percevoir les sons de fréquence 500 kHz^{[réf. souhaitée]}.

Certains animaux utilisent leur aptitude à couvrir une large bande de fréquences à des fins diverses^{[réf. souhaitée]} :

les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance^{[réf. souhaitée]} ;
les dauphins communiquent grâce aux ultrasons (100 kHz)^{[réf. souhaitée]} ;
les chauve-souris et les dauphins émettent des ultrasons avec leur système d’écholocalisation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total^{[réf. souhaitée]}.

Timbre

Article détaillé : Timbre (musique).

Le timbre est « ce qui dans le signal acoustique permet d’identifier la source⁷ ».

Les éléments physiques du timbre comprennent :

la répartition des fréquences dans le spectre sonore,
les relations entre les parties du spectre, harmoniques ou non,
les bruits colorés existant dans le son (qui n’ont pas de fréquence particulière, mais dont l’énergie est limitée à une ou plusieurs bandes de fréquence),
l’évolution dynamique globale du son,
l’évolution dynamique de chacun des éléments les uns par rapport aux autres.

La sélection des éléments pertinents est une question psychoacoustique.

Étude des signaux acoustiques

Tous les signaux peuvent être définis et analysés soit dans l’espace temporel, soit dans l’espace fréquentiel.

Dans le premier cas, on étudie l’histoire de la valeur du signal. On a une idée précise du temps, mais aucune de la fréquence.

Définir un signal dans l’espace fréquentiel, c’est dire quel est son spectre, calculé au moyen de la transformation de Fourier. Le spectre d’un signal représente les fréquences des différentes sinusoïdes ou « sons purs » qui, si on les ajoutait, le reconstitueraient. Ces composantes d’un son complexe sont appeléspartiels. Lorsque ces fréquences sont des multiples d’une même fréquence, appelée fondamentale, les autres sont des harmoniques. Si les fréquences présentes sont parfaitement connues, on a aucune idée de la valeur de la pression acoustique à un moment donné. Le spectre présente chaque valeur sous forme d’une « raie » dont la hauteur ou la couleur varie avec son amplitude. Le spectre d’un son pur présente une seule raie.

Sonagramme de notes jouées au piano

Dans ces études, on fait comme si le signal était commencé depuis toujours et continuait à l’infini. Mais les signaux sonores réels commencent et finissent, et on s’intéresse en pratique à la fois aux fréquences qu’il contient et au moment où on peut les détecter. Un Sonagramme représente les fréquences présentes et leur intensité en fonction du temps. La représentation fait l’objet d’un compromis. On peut calculer les fréquences avec précision, et donc discriminer deux fréquences proches, qu’avec une durée suffisamment longue ; mais on ne peut situer les événements sonores dans le temps avec précision que si la durée est courte. Le produit des incertitudes temporelle et fréquentielle est constant⁸.

On étudie le son soit comme support d’une transmission d’information comme la parole ou la musique, soit comme nuisance (Bruit). Pour ce faire, on génère des signaux acoustiques, dont on connaît bien les caractéristiques à l’émission, et on examine ce qu’ils deviennent en passant par le système qu’on étudie, qui pourrait être par exemple un mur anti-bruit, ou un hall où des messages doivent être diffusés, ou un studio d’enregistrement.

On étudie la réponse acoustique des systèmes en analysant leur réponse à trois grandes classes de signaux :

– les signaux périodiques, dont la forme se répète à l’identique à l’infini dans le temps, servent à l’étude de la réponse des systèmes dans l’espace fréquentiel ;

– les signaux aléatoires, qui n’ont pas de caractère périodique, parmi lesquels on s’intéresse principalement aux signaux aléatoires ergodiques, qui ont des caractéristiques statistiques stables dans le temps⁹ ;

– les signaux impulsionnels : qui sont brefs et ne se répètent pas dans le temps. Ils permettent l’étude de la réponse des systèmes dans l’espace temporel.

Annexes

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