Le Son

1) Un son ?


Définition : 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.

 

2) Propagation

 

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. Notons que 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.

 

onde-eau-1.jpg

 

L’onde acoustique ainsi produite se propage dans toutes les directions et s’atténue avec la distance en raison de la dispersion de l’énergie acoustique et de son absorption par le milieu. Un son peut être transmis par un milieu, mais également réfléchi. C’est d’ailleurs ce dernier cas qui est mis en jeu lors du phénomène d’écho.

 

La vitesse de propagation du son varie en fonction de la nature, de la température et de la pression du milieu.

 

Les tableaux 1 et 2 sont récapitulatifs de la vitesse de propagation du son :

 

Matériaux (à 20°C)

Vitesse de propagation (en m/s)

Air

344

Eau

1460

Verre

5300

Acier

5400

PVC dur

2400

Béton

3100

Granit

6200

 Tableau 1 : La vitesse de propagation du son selon le milieu.

 

Température (en °C)

Vitesse de propagation (en m/s)

-10

325,4

-5

328,5

0

331,5

+5

334,5

+10

337,5

+15

340,5

+20

343,4

+25

346,3

+30

349,2

Tableau 2 : La vitesse de propagation du son dans l'air selon la température.

 

Les ondes sonores se déplacent ainsi 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, ce qui est utile pour mesurer grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage (la vitesse de la lumière rendant sa perception quasi instantanée). Dans des milieux solides ou liquides, le son peut se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l'eau, sa vitesse est de 1482 m/s. A noter que le son ne se propage pas dans le vide, car il n'y a pas de matière pour supporter les ondes produites.

 

3) Fréquence et hauteur

 

La fréquence d'un son est exprimée en Hertz (Hz). Elle est directement liée à la hauteur d'un son perçu. À une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

 

frequence-3.jpg


Une onde acoustique est un phénomène périodique, c’est-à-dire un phénomène qui se répète dans le temps et dans l’espace.

 

La longueur d’onde (notée λ) est la plus courte distance séparant deux points de l’onde strictement identiques à un instant donné. Elle est donnée en mètres. La longueur d’onde est la distance parcourue par l’onde au cours d’une période.

 

Une période correspond au temps au bout duquel un phénomène périodique se répète.

 

La fréquence d’un son désigne la mesure du nombre de périodes par unité de temps : f-1.png

On exprime F (la fréquence) en hertz et t (la période) en secondes ; n correspond au nombre de périodes.

 

Dans l’exemple ci-dessous, on compte deux périodes en une seconde. On a donc : f-calcul-1.png

 onde-1.png

Donnons un autre exemple : Pour une période de 2.10-3 secondes soit 2 millisecondes, on a une fréquence f-calcul-2-1.png

 

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

En théorie, l’oreille humaine ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ entre 20 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons), mais cette plage diffère selon les personnes, l'âge, la culture...

 

 echelle-frequences.jpg

 

A titre de comparaison, on peut noter que :

-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 chauves-souris émettent des ultrasons (~80 kHz) avec leur système d'écholocalisation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total

 

Le tableau 3 montre les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée (musique classique occidentale):

 

NOTE

Octave 1

Octave 2

Octave 3

Octave 4

Do

65

131

262

523

Do #

69

139

277

554

73

147

294

587

Ré #

78

156

311

622

Mi

82

165

330

659

Fa

87

175

349

698

Fa #

92

185

370

740

Sol

98

196

392

784

Sol #

104

208

415

830

La

110

220

440

880

La #

117

233

466

932

Si

123

247

494

988

Tableau 3 : Notes de musique et fréquences correspondantes (en hertz).

 

 

4) Amplitude et intensité

 

L'amplitude est une autre caractéristique importante d'un son. L'intensité perçue dépend en partie 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.

 

 amplitude.jpg

 

Les deux sons représentés ci-dessus ont la même fréquence mais une amplitude (aussi appelée écart maximal) différente. Le son rouge sera donc perçu plus « fort » que le son bleu.

 

L'intensité du son est une mesure de la quantité d'énergie qui peut être captée en une seconde sur une surface d'1 m². L'intensité du son dépend de l'amplitude de la vibration sonore et est exprimée en décibels (dB SPL - Sound Pressure Level).

 

Quand le niveau sonore est augmenté d'1 Bel, cela signifie que l'intensité est multipliée par 10. L'oreille humaine est cependant capable de percevoir des différences beaucoup plus petites (entre 0.2 et 0.3 Bel). C'est pour cela que l'on a introduit le décibel comme unité d'usage.

 

Le décibel est une unité basée sur une échelle logarithmique : la puissance n’est pas proportionnelle à la valeur en décibels. Par exemple, lorsque la puissance est multipliée par deux, on ne multiplie pas la mesure en décibels par deux, mais on ajoute trois décibels.

 

Le tableau 4 donne une idée du lien entre rapports de valeurs de puissance et décibels :

 

Rapport

1

1,26

1,6

2

2,5

~3,2

4

5

10

40

100

1000

dB

0

1

2

3

4

5

6

7

10

16

20

30

Tableau 4 : Correspondance des rapports de valeurs de puissance en fonction des décibels ajoutés.

 

 

Cette unité a été choisie ainsi parce que cela permet d'avoir des chiffres aisément manipulables (par des additions), qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits et parce que cette approche correspond mieux à ce que perçoit l'oreille humaine en termes de sensation sonore.

 

Mais 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. En effet, la sensibilité de notre oreille est la plus grande pour les sons situés entre les fréquences 500 et 8000 Hz. Les sons qui se situent au-dessus ou en dessous de ces limites ont besoin d'une plus grande amplitude pour être perçus avec la même force.

 

l-ouie9.jpg

Ce graphique montre l’intensité nécessaire à la perception (en dB) en fonction des fréquences (en Hz).

 

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 ont 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.

 

Voilà une échelle pour vous donner une idée de correspondance entre certains sons, leur mesure en décibels, et les dommages qu’ils peuvent provoquer sur notre oreille.

 

 s1134i1-1.jpg

 

Cependant, il suffit de changer la référence de puissance ou de pression 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.

 

 

5) Timbre

 

Le timbre détermine la couleur du son. Il est différent pour chaque type de source sonore et différencie, à l'oreille, deux sons qui auraient la même fréquence fondamentale et la même intensité; par exemple la même note jouée avec la même intensité mais avec une trompette ou un violon. Depuis le milieu du XXème siècle, l'acoustique musicale a fait de grands progrès dans l'étude de cette composante, grâce au perfectionnement des instruments d'analyse du son.

 

 

6) Perception et cognition

 

Le rôle du cerveau dans la perception est particulièrement important car il fournit un gros travail d'analyse pour distinguer, reconnaître et évaluer les sons, selon leur hauteur bien sûr, mais surtout selon leur évolution au cours du temps. Le cerveau permet aussi la corrélation entre les deux oreilles afin de situer le son dans l'espace. C'est aussi lui qui nous permet de reconnaître un instrument de musique ou une personne précise. L'oreille, elle, ne fait que transmettre des informations brutes. Il semblerait, mais le débat est toujours ouvert, qu'une grande partie du travail effectué par le cerveau soit apprise et non innée.

 

Ainsi, la perception du timbre, et même de la justesse peut varier d'une personne à une autre, indépendamment de ses goûts personnels, non seulement à cause de la dégradation de son système auditif, mais également en raison d'une altération de ses facultés neurologiques. Une autre raison de cette différence de perception tient bien évidemment au filtrage effectué par un système auditif vieillissant. Ainsi, de même qu'un filtre optique masque ou met en évidence des éléments d'une image, l'oreille peut masquer ou mettre en évidence les éléments constituant le son, faisant varier d'autant sa perception.

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