Acoustique Fondamentale

Sons et bruits Aspects objectifs et subjectifs

 

Les fluctuations rapides (plusieurs dizaines de fois, jusqu’à des milliers de fois par seconde) de la pression de l’air au niveau de nos oreilles engendrent une sensation auditive, et le mot SON désigne à la fois la vibration physique capable d’éveiller cette sensation et la sensation elle-même.

Cette constatation s’impose dès que l’on tente une définition du son, et constitue l’une des clefs de l’approche avertie des problèmes liés à la nature du son.

Les philosophes et les physiciens du  18^e siècle ont eu de vives discutions à ce sujet :

Y a- t- il un son lorsque personne n’est la pour l’entendre ?

 Même si de nos jours cette question peut faire sourire, le problème de ces deux aspects du phénomène sonore est toujours une source de confusion.

Le son possède un aspect objectif et peut ainsi être considéré comme une cause, objet naturel des sciences et technique. Sous son aspect subjectif le son est un effet étroitement dépendant du sujet qui le ressent.

La difficulté mais aussi l’intérêt de cette recherche réside dans le fait que cause et effet appartiennent à des domaines différents : physique physiologie, psychologie, sociologie et art (musique et architecture). Il faut prendre conscience de cette répartition pour comprendre à la fois le discours d’un physicien et ce lui d’un musicien et du spécialiste des salles d’écoutes…) lorsqu’ils parlent du son.

Objectivement, le son est un phénomène physique d’origine mécanique, une perturbation locale de pression, de vitesse vibratoire ou de densité de fluide, qui se propage en modifiant progressivement l’état de chaque élément du milieu ébranlé, donnant aussi naissance à une onde acoustique dont l’image classique est celle des ronds dans l’eau. La vitesse avec laquelle se propage cette perturbation, ou célérité du son, est caractéristique du milieu de propagation et de son état thermodynamique.

Subjectivement le son est une sensation traduisant la perception par le cerveau d’un événement qui véhicule une information du monde extérieur.

Notons que même en nous limitant au milieu que constitue l’air ambiant, toutes les vibrations de nature acoustique (onde pression) ne donnent pas forcement une sensation auditif. Certaines seront imperceptibles, car trop faibles, d’autre seront trop lentes (infrason : au dessous de 20 ou 25hz) ou trop rapide (ultrason : au dessus de 15 ou 20 kHz), limite variable suivant les individus et leur âge.

Le son le plus simple au sens physique est une oscillation sinusoïdale de pression, analogue à celle de l’oscillateur simple ou du pendule. Et donc caractérisé par une période T, stable, dont l’inverse est la fréquence f=1/T mesurée en hertz (1hz=1 oscillation par seconde, 1khz = 1000hz). On utilise souvent dans les calculs la grandeur ω =2πf ou pulsation.

On rencontre rarement un son pur de seule fréquence f, mais le plus souvent une composition d’un grand nombre d’oscillation ayant des fréquences diverses.

Si ces fréquences sont une fréquence dite fondamentale et ses multiples 2f, 3f, 4f…nf, dites harmoniques, la sensation auditive est un son musical.la superposition de fréquences ayant des rapports simple donne une sensation agréable d’accords musicaux.

Les sons dont les fréquences ne sont pas des multiples des fréquences fondamentale sont appelées des partielles. Exemple : un son de cloche.ils peuvent contribués au timbre du son mais sont parfois désagréables.

On appelle physiquement bruit une perturbation de pression sonore qui n’est pas seulement formée d’un nombre fini de fréquence fixes mais aussi d’oscillations aléatoires ayant une composition spectrale continue par exemple : (bruit d’une chute d’eau, d’un jet de vapeur…)

La plupart des bruit naturels comportent à la fois des oscillations de fréquences plus ou moins fixes, ayant entre elles des rapports quelconques, et des fluctuations à large bande fréquentielles.

Subjectivement, on appelle bruit toute manifestation sonore non désirée, donc perturbatrice, par rapport à un état souhaitée, ou pour la perception d’un signal (parole, musique…)

On voit que ces deux définitions ne coïncident pas forcement : si un son formé de fréquences quelconques, ni harmonique, ni harmonieuses, peut être désagréable, le bruit d’une cascade peut être agréable, et le bruit du train qui entre en gare est une information utile, alors qu’une mélodie entendue à traves une cloison quand on veut s’endormir est un bruit perturbateur

Quoiqu’il en soit, SONS et BRUITS relèvent des mêmes phénomènes physiques et nous verrons que tous les mouvements oscillant sans exception peuvent êtres décrits en termes de fréquence. En conséquence, la notion de fréquence, donc de mouvement sinusoïdal constitue l’élément simple le plus intéressant à utiliser comme base de touts les phénomènes vibratoires.

Pour devenir un son ces ébranlements doivent agir sur un de nos sens. Notre oreille est sensible aux vibrations entre 16 et 20000 oscillations complètes par seconde ou hertz. En dessous de 16 Hz ce sont des infra son que nous pouvons percevoir par la paroi abdominale. Cette propriété est utilisée par certain films de catastrophe. Au dessus de 20 kHz, il s’agie d’ultra sons que certain animal perçoivent : les chiens policiers sont dressés pour obéir à un sifflet ultra sonore. Si l’ébranlement moléculaire a lieu dans un milieu homogène, les vibrations se propagent uniformément dans toutes les directions.une certaine énergie fournie par la source est véhiculée par les ondes acoustiques ; c’est la puissance acoustique l’ébranlement de l’air par un son pur, est un oscillant périodique qui peut être représenté par une fonction sinusoïdale.

Y(t) = A sin (ω t + φ)
 

A : amplitude, c’est la valeur maximale de la pression ou de la détente de l’air

T : lorsque l’ébranlement a décrit un cycle complet il a parcouru le temps d’une période T ; le nombre de période contenu dans une seconde est :

La fréquence : f = 1 /T en hertz (Hz).

ω : la pulsation, elle est égale à 2π/T ou 2πf.

Le phénomène étant cyclique, on peut le représenter par un point qui se déplace sur un cercle avec une vitesse uniforme ; le cercle est décrit en entier lorsque le point a parcouru un angle 2π ; donc 2π/T représente la vitesse de déplacement point sur le cercle.

Vélocité : supposons un point p qui se déplace sur la sinusoïde de telle sorte que sa projection P sur l’axe  ot soit constante. On voit que lorsque p passe par les point 0, 01,02…sa vitesse, ou vélocité des molécules d’air, est très grande ; tandis que lorsque p passe par les point P1, P2,…sa vélocité est nulle.

La vélocité est donc la dérivée de y(t).

y’(t) = A ω cos ωt

La longueur d’one : lorsque le point P (projection de p sur l’axe ot) se déplace de 0 à 02, la célérité C il a décrit une longueur d’onde.

Intensité : c’est l’amplitude de la variation de pression de l’air A ; elle correspond à l’amplitude du déplacement moléculaire. Elle s’exprime en pascal (1Pa = 1 N /m²).

Vitesse du son ou célérité les sons ne se propagent pas dans le vide ; leur vitesse dans l’air augmente avec la température, elle est indépendante de la pression atmosphérique. A 0°C elle est de 331m/set de 340 m/s à 18°C.

La célérité du son peut être approchée par la linéarisation suivante :

c_air = (331,5 + 0,6·θ) m/s

Où θ (thêta) est la température en degrés Celsius.

L’ouïe

On a vu qu’il ne pouvait y avoir de son que si l’oreille percevait l’ébranlement de l’air. Or notre récepteur auditif est délicat et compliqué, de plus il n’est pas linéaire en  fréquence, ni en sensibilité.

Les courbes classiques de FLECHER et MUNSON donnent la sensibilité en fonction de la fréquence  la (courbe en bas) donne la pression acoustique nécessaire pour atteindre le seuil d’audibilité. Sa sensibilité maximale se situe aux environs de 1000Hz et demande une pression acoustique de 2.10^-5 Pa en revanche à 10Hz et à 20 000Hz cette pression doit être 100 000 fois plus grande afin d’entendre ces fréquences.

 

Fig. 1 : courbes d’égale sensation sonore d’après FLETCHER et MUNSON

Si on augmente progressivement l’intensité sonore, on arrive à un niveau ou l’audition devient douloureuse et  au delà duquel aucune augmentation de sensation n'est plus perceptible ; l’oreille est saturée. On trace ainsi  le seuil de douleur (courbe en haut).cette limite et moins différente  en fonction de la fréquence que celle du seuil d’audibilité.  A 1000Hz le rapport des pressions acoustique entre le seuil d’audibilité et le seuil de douleur est de 10⁶ ou 120 dB. La figure donne également les courbes d’iso-pression acoustique en fonction de la fréquence tous en  dB.

Ces courbes montrent que l’oreille n’a pas une sensibilité linéaire, mais que la sensation varie comme le logarithme de l’excitation ; pour doubler la sensation acoustique il faut multiplier par dix la puissance de la source, pour multiplier par dix l’intensité acoustique en Pa. C’est pourquoi on utilise le décibel pour définir le niveau acoustique, par rapport au seuil d’audibilité.

Ces courbes sont très importantes, car on voit que si on réduit la puissance livré par un amplificateur, on  limite aussi la bande de fréquence  audible. Le son de niveau faible parait sur tout manquer de  grave ; d’où la nécessité d’une correction sur les amplificateurs.

 

Les courbes à égale sensation sonore  figure 1 ne sont valable que pour des personnes jeunes ayant une audition parfaite. Des expériences sur un grand nombre de sujets ont permis de tracer les courbes de la figure 2 on voit que des 35 ans l’acuité sonore diminue de 5 dB à 10 000Hz, à 65ans cette atténuation atteint 40 dB. Il s’agie de  valeurs moyennes.

Comments

[profshadocko]

Très bonnes explications, toutefois compliquées pour les néophytes, mais il faut bien un début à tout. Profshadocko, passionné devant l'éternel, de Haute Fidélité et de musique...