Les sons

Émission et propagation d’un signal sonore

1./ Émission d’un signal sonore :

Un signal sonore est produit par la vibration d’un objet (corde d’une guitare, peau d’un tambour, ailes d’un insecte, cordes vocales, membrane d’un haut-parleur, …). La présence d’une caisse de résonance amplifie le signal.

2./ Propagation d’un signal sonore :

Un signal sonore (ou onde sonore) est une perturbation mécanique qui se propage dans un milieu matériel élastique. Par exemple, dans le cas d’un son qui se propage dans l’air, ce sont les molécules composant l’air qui vont vibrer autour de leur position d’équilibre. Les sons peuvent aussi se déplacer dans les liquides et dans les solides. Par contre les ondes sonores ne peuvent pas se déplacer dans le vide.

Vous pouvez trouver ici une animation montrant la propagation de l’onde sonore produite par la membrane d’un haut-parleur. (Les points noirs représentent des molécules).

 

3./ Célérité d’une onde sonore :

Un signal sonore ne se propage pas instantanément d’un point à un autre. On peut définir sa célérité (ou vitesse de propagation) à l’aide de la relation suivante :

\[ v=\frac{d}{\Delta t} \]

​\( d \)​ est la distance parcourue par l’onde sonore (en m), ​\( \Delta t \)​ est la durée de propagation de l’onde sonore (en s), et ​\( v \)​ est la célérité de l’onde sonore (en m·s^–1).

La célérité de l’onde sonore dépend de la température et de la nature du milieu matériel traversé. Plus le milieu est dense, plus la vitesse est élevée.

Quelques exemples :

Vous pouvez trouver une animation sur le principe du sonar qui vous permettra de voir une application pratique de la formule précédente à l’adresse http://physique.ostralo.net/sonar/.

Remarque : les mots « célérité » et « vitesse » désignent des concepts similaires. En règle générale, on utilise « vitesse » pour une particule, et « célérité » pour une onde. On parle cependant parfois de vitesse de propagation d’une onde.

 

Signal sonore périodique

1./ Définition :

Un microphone est un dispositif permettant de transformer un signal sonore en signal électrique. Cela permet de réaliser l’enregistrement d’un signal sonore et de pouvoir le visualiser, à l’aide d’un ordinateur par exemple. Un signal sonore est périodique si son enregistrement présente la répétition d’un motif élémentaire identique à intervalles de temps réguliers :

2./ Période et fréquence :

La période ​\( T \)​ d’un signal sonore périodique est le plus petit intervalle de temps au bout duquel le signal se reproduit identique à lui-même. Elle correspond à la durée d’un motif élémentaire. La période ​\( T \)​ s’exprime en s.

La fréquence ​\( f \)​ d’un phénomène périodique est l’inverse de la période ​\( T \)​. La fréquence ​\( f \)​ s’exprime en Hertz (Hz). Elle se calcule à l’aide de la formule suivante :

​\( f=\frac{1}{T} \)​ ; on a aussi : ​\( T=\frac{1}{f} \)​

La fréquence ​\( f \)​ correspond au nombre de fois que le phénomène se reproduit identique à lui-même pendant une seconde.

 

Perception du son

1./ Principe de l’oreille :

Les ondes sonores pénètrent dans l’oreille par le conduit auditif, et vont faire vibrer le tympan. Les vibrations du tympan sont transmises à l’oreille interne par l’intermédiaire de la chaîne des osselets (marteau, enclume et étrier). Le signal sonore est ensuite converti en signal électrique, transmis au cerveau par l’intermédiaire du nerf auditif. Vous trouverez plus d’informations dans les deux vidéos suivantes :

2./ Domaines de fréquence des signaux sonores :

Les signaux sonores périodiques sont caractérisés par leur fréquence, comme nous l’avons vu précédemment. Si la fréquence du signal sonore est comprise entre 20 Hz et 20 kHz (= 20 000 Hz), on parle de sons audibles, car l’oreille humaine peut les détecter. Plus la fréquence est petite, plus le son est grave. Plus la fréquence est grande, plus le son est aigu. Il y a donc un lien direct entre la fréquence d’un signal sonore et la hauteur du son perçu.

Si la fréquence du signal sonore est inférieure à 20 Hz, on parle d’infrasons. Les infrasons sont des sons trop graves pour être entendus par l’oreille humaine.
Si la fréquence du signal sonore est supérieure à 20 kHz, on parle d’ultrasons (US). Les ultrasons sont des sons trop aigus pour être entendus par l’oreille humaine.

Remarques :

• Pour une personne donnée, la sensibilité aux sons aigus (la limite supérieure de l’intervalle des sons audibles par l’Homme) diminue avec l’âge. Une personne âgée n’entendra plus des sons de haute fréquence qu’elle entendait plus jeune. (Voir : https://fr.wikipedia.org/wiki/Mosquito_(appareil)).
• Le domaine des fréquences des sons audibles est relié à l’audition humaine : certains animaux peuvent détecter les infrasons ou les ultrasons

3./ Timbre d’un son :

La fréquence d’un son correspond à sa hauteur. Un son de fréquence 440 Hz correspond par exemple à la note la₃. Cette note sert de référence pour accorder certains instruments. Il existe des diapasons vibrant à cette fréquence. Si on écoute le son d’un violon jouant un la₃, puis celui d’un diapason jouant la même note, on remarque que les deux sons perçus sont différents, même s’ils ont la même hauteur. Si on réalise un enregistrement du son joué par le violon et du son joué par le diapason, on obtient les deux courbes suivantes :

On remarque que les deux signaux sont des signaux périodiques de même période. Par contre la forme du signal n’est pas la même. La forme du signal sonore est caractéristique de l’instrument qui a produit le son. Elle caractérise le timbre de l’instrument. C’est le timbre qui permet de faire la différence entre une même note jouée par plusieurs instruments différents.

4./ Intensité sonore et niveau d’intensité sonore :

L’intensité ​\( I \)​ d’un signal sonore est liée à son amplitude :

Un son est deux fois plus intense si la source qui émet ce son vibre avec une amplitude deux fois plus grande. Pourtant il ne sera pas perçu comme un son deux fois plus fort, car la réponse de l’oreille n’est pas linéaire. On définit donc le niveau d’intensité sonore, ​\( L \)​, qui n’est pas proportionnel à l’amplitude, et qui s’exprime en décibel (dB).

Le niveau 0 dB correspond au seuil d’audibilité : c’est le niveau en dessous duquel l’oreille ne détecte aucun son. Un niveau d’intensité sonore très élevé va entraîner une certaine fatigue auditive. A partir d’un certain seuil, l’audition peut être altérée, de façon temporaire ou définitive. Si le niveau d’intensité sonore est trop grand, une sensation de douleur apparait !

Aux environs de 80 à 85 dB, le muscle stapédien (petit muscle relié à l’étrier) se contracte, rigidifiant la chaîne des osselets. Cela atténue les vibrations transmises et protège l’oreille interne : c’est le réflexe stapédien.

Remarques :

• La relation permettant de calculer le niveau d’intensité sonore L à partir de l’intensité I n’est pas au programme. Elle sera vue en classe de première, en enseignement scientifique.
• Le niveau d’intensité sonore se mesure avec un appareil appelé sonomètre.
• Le niveau d’intensité sonore maximal possible (dans l’atmosphère terrestre) est d’environ 194 dB.