Son (physique)


Son (physique)
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Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance.

La science qui étudie les sons s'appelle l'acoustique. La psychoacoustique combine l'acoustique avec la physiologie et la psychologie, pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.

Sommaire

Propagation du son

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 (Par abus de langage, on parle également de la Célérité, cette dernière étant définie pour des ondes électromagnétiques) 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. Dans un gaz parfait la célérité est donnée par la relation :

c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi}}\,\rho est la masse volumique du gaz et \,\chi sa compressibilité adiabatique.

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 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, suite au 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 344 m/s dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre toutes les trois secondes. Cette notion ne peut cependant pas être utilisée pour mesurer même grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage, même si la vitesse de la lumière rend sa perception quasi instantanée. En effet les perturbations atmosphériques générées par l'éclatement sont telles que cette approximation de vitesse de déplacement des ondes sonores dans le milieu n'a plus de réalité physique. Dans des milieux 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 entrant dans la composition de l'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).

Fréquence et hauteur

La fréquence d'un son est exprimée en hertz (Hz), elle est directement liée à la hauteur d'un son perçu, mais n'en est qu'une des composantes (voir l'article Psychoacoustique). À une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

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

  • 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 16 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons puis d'hyperson au dessus de 1 GHz) ;
  • le chat peut percevoir des sons jusqu'à 25 kHz ;
  • le chien perçoit les sons jusqu'à 35 kHz ;
  • la chauve-souris et le dauphin peuvent percevoir les sons de fréquence 100 kHz.

Certains animaux utilisent leur aptitude à couvrir une large bande de fréquences à des fins diverses :

  • les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance ;
  • les dauphins communiquent grâce aux ultrasons ;
  • les chauve-souris émettent des ultrasons (~80 kHz) avec leur système d'écholocation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total.

Pour avoir les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée (musique classique occidentale), voir Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l'octave.

Amplitude et la pression sonore

Article détaillé : Amplitude.

L'amplitude est une autre caractéristique importante d'un son. La pression sonore perçue dépend (entre autres) de l'amplitude et correspond dans l'air aux variations de pression de l'onde. Le son peut être fort ou doux (les musiciens disent forte ou piano).

Unité de mesure

Article détaillé : décibel#dBSPL.

En acoustique la pression sonore et l'intensité se mesurent en décibels (dB). C'est une grandeur sans dimension, logarithme du rapport entre une grandeur caractéristique du son étudié et celle d'un son de référence.

Le choix d'un logarithme permet d'avoir des chiffres aisément manipulables, qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits (voir l'article Échelle logarithmique), et parce que cette approche correspond mieux à ce que perçoit l'oreille humaine en termes de sensation sonore.

Ces considérations sont le fruit des recherches du psychophysicien allemand Gustav Fechner qui, au milieu du XIXe siècle, s'était fixé pour but de quantifier les sensations que peuvent produire différents stimuli (variation de température, d'éclairement, etc.).

On utilise deux grandeurs pour mesurer l'intensité : l'intensité, mesurée en watts par mètre carré et pour laquelle l'intensité de référence est I0 = 10-12W.m-2, et la pression, mesurée en pascals et pour laquelle la pression de référence est P0 = 2.10-5 Pa. En dB, la première est toujours le double de la seconde, et c'est a priori celle qui est utilisée en l'absence de précision.

Mais attention, la notion de niveau sonore ne donne qu'une vague idée de la sensation perçue, car il faut prendre en compte la sensibilité de l'oreille, qui varie principalement selon la fréquence du son (l'oreille est moins sensible aux basses fréquences). Une meilleure approximation du volume perçu est donnée en décibel pondéré A (dBA), elle peut être mesurée électroniquement après filtrage du signal par un filtre à pondération A (il existe également des pondérations B et C adaptées aux mesures de sons d'intensités plus grandes).

0 dB correspond au minimum que l'oreille humaine peut percevoir appelé seuil d'audibilité, et non au silence absolu. Cette valeur a été choisie par expérimentation pour un son de fréquence 1000 Hz, elle vaut 10-12 W.m-2, mais la plupart des personnes a un seuil d'audibilité supérieur à 0 dB (environ 4 dB). Le seuil de douleur est de 130 dB, mais l'oreille peut subir des dommages à partir de 85 dB (voir l'article Psychoacoustique).

Il suffit de changer la référence de puissance ou de pression (P0 ou W0 dans les formules ci-dessous) pour que l'échelle des volumes soit complètement changée. C'est pourquoi les décibels gradués sur le bouton de volume d'une chaîne Hi-fi ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des puissances électriques de sortie de l'amplificateur, ce qui n'a quasiment rien à voir : la valeur 0 dB représente bien souvent la puissance maximale que l'amplificateur est capable de délivrer.

Niveau de bruit en puissance Niveau d'intensité Niveau de bruit en pression
Lw = 10 \log \left ( \frac{W}{W_0} \right ) LI = 10 \log \left ( \frac{I}{I_0} \right ) Lp =  10 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)^2 = 20 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)

Le niveau de puissance caractérise une source sonore, il est donc indépendant de la distance source - récepteur. En revanche, les niveaux d'intensité et de pression correspondent aux niveaux perçus par le récepteur. Ils dépendent donc de la source et aussi de la distance source récepteur.

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 creux (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.

Timbre

Article détaillé : Timbre (musique).

C’est la caractéristique qui peut 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.

Espace-temps

Comme tous les phénomènes perçus, le temps joue un rôle fondamental pour l'acoustique (et encore plus en musique). Il existe même des relations très étroites entre l'espace et le temps, vu que le son est une onde qui se propage dans l'espace au cours du temps.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques :

  • périodiques, dont la forme se répète à l'identique dans le temps ;
  • aléatoires, qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce qui suit, et d'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques statistiques stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement, c'est le cas des bruits « blanc ou rose » utilisés par les scientifiques et certains artistes ;
  • impulsionnels : qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.

Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans l'espace temporel ou dans l'espace fréquentiel. Dans ce dernier, on aura souvent recours à l'utilisation du spectre du signal, calculé depuis sa définition fréquentielle (dite du domaine de Fourier). Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés partiels. Dans le cas d'un signal périodique stable comme une sirène, le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée « raie ». Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes (voir à ce sujet l'article sur la transformée de Fourier).

Enregistrement

Article détaillé : Enregistrement sonore.

En musique, l'enregistrement d'un morceau de musique a lieu pour en conserver une trace, pour par exemple le réécouter ou le diffuser.

La musique

Article détaillé : Musique.

La musique est l'art de combiner les sons en termes de rythme, de mélodie et/ou d'harmonie (notamment), son écoute "devant" nous procure des sensations particulières. En ce qui concerne la musique occidentale tout du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la consonance qui est intimement liée au phénomène des sons harmoniques. Cependant, et depuis des siècles, les théoriciens de la musique ont buté sur l'impossibilité d'aboutir à la définition d'une échelle musicale « idéale » (voir l'exposé complet des problèmes posés dans l'article gammes et tempéraments et de plusieurs articles associés).

La comparaison de termes musicaux et de leur équivalent scientifiques (hauteur et fréquence, par exemple) montre la limite en art et science, limite que l'acoustique musicale a tenté de franchir en montrant les rapports qui peuvent s'établir entre la perception humaine de la musique et les phénomènes physiques qui peuvent être liés.

Le son et l'informatique

Article détaillé : Synthèse sonore.

Depuis la découverte de la synthèse numérique des sons, et avec l'arrivée d'ordinateurs personnels équipés en standard d'une carte son, il est devenu à la portée de tous d'enregistrer et de traiter les sons. De nombreux professionnels se tournent vers des solutions numériques, de moins en moins onéreuses, qui offrent, avec la progression de la capacité des ordinateurs, une foule de possibilités. Les cartes son haut de gamme possèdent de nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques pour relier synthétiseurs et tables de mixage. L'informatique musicale s'est ainsi développée au même rythme que les capacités de calcul des ordinateurs.

L'acquisition

Pour le traitement numérique du son (traitement sur un ordinateur), il faut procéder à une conversion analogique - numérique, ce qu'on appelle son acquisition. Cette opération consiste à transformer les variations de pression du son, en une suite de nombres que les moyens informatiques pourront traiter. On appelle cette transformation l'échantillonnage du signal. Un microphone convertit les variations de pressions de l'air en signaux électriques, relié à un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC en anglais, pour Analog to Digital Converter) qui va numériser ce signal à pas régulier (le transformer en une suite de nombres). Ce travail est à présent réalisé par les cartes son des ordinateurs personnels.

Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

Liens externes



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