ÉNERGIE SONORE: CARACTÉRISTIQUES, TYPES, UTILISATIONS, AVANTAGES, EXEMPLES - PHYSIQUE - 2025

L' énergie sonore ou acoustique qui transporte les ondes sonores lorsqu'elles se propagent dans un milieu, qui peut être un gaz tel que l'air, un liquide ou un solide. Les humains et de nombreux animaux utilisent l'énergie acoustique pour interagir avec l'environnement.

Pour cela, ils disposent d'organes spécialisés, par exemple les cordes vocales, capables de produire des vibrations. Ces vibrations sont transportées dans l'air pour atteindre d'autres organes spécialisés en charge de leur interprétation.

L'énergie acoustique se traduit en musique par le son de la clarinette. Source: Pixabay

Les vibrations provoquent des compressions et des dilatations successives dans l'air ou dans le milieu qui entoure la source, qui se propagent avec une certaine vitesse. Ce ne sont pas les particules qui voyagent, mais elles oscillent simplement par rapport à leur position d'équilibre. La perturbation est ce qui est transmis.

Maintenant, comme on le sait, les objets qui bougent ont de l'énergie. Ainsi, les ondes lors de leur déplacement dans le milieu emportent également l'énergie associée au mouvement des particules (énergie cinétique), ainsi que l'énergie que possède intrinsèquement ledit milieu, appelée énergie potentielle.

caractéristiques

Comme on le sait, les objets qui bougent ont de l'énergie. De même, les ondes, au fur et à mesure qu'elles se déplacent dans le milieu, emportent avec elles l'énergie associée au mouvement des particules (énergie cinétique) et aussi l'énergie de déformation du milieu ou énergie potentielle.

En supposant une très petite partie du milieu, qui peut être de l'air, chaque particule de vitesse u, a une énergie cinétique K donnée par:

De plus, la particule a une énergie potentielle U qui dépend du changement de volume qu'elle subit, où Vo est le volume initial, V est le volume final et p est la pression, qui dépend de la position et du temps:

Le signe négatif indique une augmentation de l'énergie potentielle, car l'onde de propagation agit sur l'élément de volume dV lors de sa compression, grâce à une pression acoustique positive.

La masse de l'élément fluide en termes de densité initiale ρ _o et de volume initial V _o est:

Et comment la masse est conservée (principe de conservation de la masse):

Par conséquent, l'énergie totale est comme ceci:

Calcul de l'énergie potentielle

L'intégrale peut être résolue en utilisant le principe de conservation de la masse

La dérivée d'une constante est 0, donc (ρ V) '= 0. Par conséquent:

Isaac Newton a déterminé que:

(dp / dρ) = c ²

Où c représente la vitesse du son dans le fluide en question. En substituant ce qui précède dans l'intégrale, on obtient l'énergie potentielle du milieu:

Si A _p et A _v sont respectivement les amplitudes de l'onde de pression et de la vitesse, l'énergie moyenne ε de l'onde sonore est:

Le son peut être caractérisé par une quantité appelée intensité.

L'intensité du son est définie comme l'énergie qui passe en une seconde à travers la zone unitaire qui est perpendiculaire à la direction de propagation du son.

Puisque l'énergie par unité de temps est la puissance P, l'intensité du son I peut être exprimée comme:

Chaque type d'onde sonore a une fréquence caractéristique et transporte une certaine énergie. Tout cela détermine son comportement acoustique. Le son étant si important pour la vie humaine, les types de sons sont classés en trois grands groupes, en fonction de la gamme de fréquences audibles par les humains:

- Infrasons, dont la fréquence est inférieure à 20 Hz.

- Spectre audible, avec des fréquences allant de 20 Hz à 20 000 Hz.

- Ultrasons, avec des fréquences supérieures à 20 000 Hz.

La hauteur d'un son, c'est-à-dire qu'elle soit haute, basse ou moyenne, dépend de la fréquence. Les basses fréquences sont interprétées comme des sons graves, entre 20 et 400 Hz environ.

Les fréquences comprises entre 400 et 1600 Hz sont considérées comme des tons moyens, tandis que les aigus vont de 1600 à 20 000 Hz. Les sons aigus sont légers et perçants, tandis que les graves sont perçus comme plus profonds et en plein essor.

Les sons que vous entendez tous les jours sont des superpositions complexes de sons avec différentes fréquences à proximité.

Le son a des qualités autres que la fréquence, qui peuvent servir de critères pour sa classification. Le timbre, la durée et l'intensité en sont des exemples.

L'égaliseur se compose de filtres qui suppriment le bruit et amplifient certaines fréquences pour améliorer la qualité sonore. Source: Pixabay.

Le bruit

Il est également important de faire la distinction entre les sons désirés et les sons ou bruits indésirables. Le bruit étant toujours recherché pour être éliminé, il est classé selon l'intensité et la période en:

- Bruit continu.

- Bruit fluctuant.

- Bruit impulsif.

Ou par couleurs, liées à leur fréquence:

- Bruit rose (similaire à un "shhhhhh").

- Bruit blanc (similaire à un "psssssss").

- Le bruit brun (par Robert Brown, le découvreur du mouvement brownien, est un bruit qui favorise grandement les basses fréquences).

Applications

L'utilisation qui est faite de l'énergie acoustique dépend du type d'onde sonore utilisé. Dans le domaine des ondes audibles, l'utilisation universelle du son est de permettre une communication étroite, non seulement entre les personnes, puisque les animaux communiquent également en émettant des sons.

Les sons sont polyvalents. Chacun diffère selon la source qui l’émet. De cette façon, la variété des sons dans la nature est infinie: chaque voix humaine est différente, ainsi que les sons caractéristiques que les espèces animales utilisent pour communiquer entre elles.

De nombreux animaux utilisent l'énergie du son pour se localiser dans l'espace et aussi pour capturer leurs proies. Ils émettent des signaux acoustiques et possèdent des organes récepteurs qui analysent les signaux réfléchis. De cette manière, ils obtiennent des informations sur les distances.

Les êtres humains n'ont pas les organes nécessaires pour utiliser l'énergie sonore de cette manière. Cependant, ils ont créé des dispositifs d'orientation tels que des sonars, basés sur ces mêmes principes, pour faciliter la navigation.

Par contre, les ultrasons sont des ondes sonores dont les applications sont bien connues. En médecine, ils sont utilisés pour obtenir des images de l'intérieur du corps humain. Ils font également partie du traitement de certaines conditions telles que le lumbago et la tendinite.

Quelques applications de l'énergie acoustique

- Avec les ultrasons à haute énergie, les calculs ou calculs qui se forment dans les reins et la vésicule biliaire peuvent être détruits en raison de la précipitation de sels minéraux dans ces organes.

- En géophysique, les ultrasons sont utilisés comme méthodes de prospection. Ses principes sont similaires à ceux des méthodes sismiques. Ils peuvent être utilisés dans des applications allant de la détermination de la forme de l'océan au relief au calcul des modules d'élasticité.

- En technologie alimentaire, ils sont utilisés pour éliminer les microorganismes résistants aux températures élevées, ainsi que pour améliorer certaines textures et qualités des aliments.

avantage

L'énergie acoustique présente des avantages qui sont en grande partie dus à sa courte portée. Par exemple, il est peu coûteux à produire et ne génère pas de déchets chimiques ou autres, car il se dissipe rapidement dans le milieu.

Quant aux sources d'énergie acoustique, elles sont nombreuses. Tout objet capable de vibrer peut devenir une source de son.

Lorsqu'il est utilisé dans des applications médicales, telles que l'imagerie par ultrasons, il présente l'avantage de ne pas utiliser de rayonnement ionisant, comme les rayons X ou la tomographie. C'est un fait que les rayonnements ionisants peuvent endommager les cellules.

Son utilisation ne nécessite pas les mesures de protection nécessaires lors de l'application d'un rayonnement ionisant. Les kits sont également moins chers.

De même, l'énergie ultrasonique est une méthode non invasive pour éliminer les reins et les calculs biliaires susmentionnés, évitant ainsi les procédures chirurgicales.

En principe, il ne génère pas de pollution ni dans l'air ni dans les eaux. Mais on sait qu'il y a une pollution sonore dans les mers, causée par les activités humaines telles que la pêche intensive, la prospection géophysique et le transport.

Désavantages

Il est difficile de penser aux inconvénients que peut avoir un phénomène aussi naturel que le son.

L'un des rares est que les sons forts peuvent endommager la structure du tympan et, avec le temps, faire perdre la sensation aux personnes constamment exposées.

Les environnements très bruyants finissent par causer du stress et de l'inconfort chez les personnes. Un autre inconvénient est peut-être le fait que l'énergie acoustique n'est pas utilisée pour déplacer des objets, ce qui rend très difficile de profiter des vibrations pour affecter des objets solides.

En effet, le son nécessite toujours l'existence d'un médium pour pouvoir se propager, et donc il est facilement atténué. En d'autres termes, l'énergie sonore est absorbée dans le milieu plus rapidement que celle d'autres types d'ondes, par exemple électromagnétiques.

Pour cette raison, l'énergie des ondes sonores est relativement courte dans l'air. Le son est absorbé par les structures et les objets à mesure qu'il se propage, et son énergie se dissipe progressivement en chaleur.

Bien sûr, cela est lié à la conservation de l'énergie: l'énergie n'est pas détruite mais change de forme. Les vibrations des molécules dans l'air ne se transforment pas seulement en changements de pression qui donnent naissance au son. Les vibrations provoquent également de la chaleur.

Absorption acoustique dans les matériaux

Lorsque des ondes sonores frappent un matériau comme un mur de briques, par exemple, une partie de l'énergie est réfléchie. Une autre partie est dissipée en chaleur, grâce à la vibration moléculaire de l'air et du matériau; et enfin la fraction restante traverse le matériau.

Ainsi, les ondes sonores peuvent être réfléchies de la même manière que la lumière. Le reflet du son est appelé «écho». Plus la surface est rigide et uniforme, plus la capacité de réflexion est grande.

En fait, il existe des surfaces capables de produire de multiples réflexions appelées réverbérations. Habituellement, cela se produit dans de petits espaces et est évité en plaçant un matériau isolant, de sorte que de cette manière, les ondes émises et réfléchies ne se chevauchent pas, ce qui rend l'audition difficile.

Pendant toute sa propagation, l'onde acoustique subira toutes ces pertes successives jusqu'à ce que finalement l'énergie soit complètement absorbée dans le milieu. Ce qui signifie qu'il a été transformé en énergie thermique.

Il existe une grandeur pour quantifier la capacité d'un matériau à absorber le son. C'est ce qu'on appelle le coefficient d'absorption. Il est noté α, et c'est le rapport entre l'énergie absorbée E _abs et l'énergie incidente E _inc, le tout rapporté au matériau considéré. Il est exprimé mathématiquement comme ceci:

α = E _abs / E _inc

La valeur maximale de α est 1 (absorbe complètement le son) et le minimum est 0 (laisse passer tout le son).

Le son peut être un inconvénient dans de nombreuses occasions lorsque le silence est préféré. Par exemple, les voitures sont équipées de silencieux pour amortir les bruits du moteur. À d'autres appareils comme les pompes à eau et les centrales électriques.

L'isolation acoustique est importante dans un studio d'enregistrement. Source: Pixabay.

Exemples d'énergie sonore

L'énergie sonore est partout. Voici un exemple simple qui illustre les propriétés du son et de son énergie d'un point de vue quantitatif.

Exercice résolu

Une broche de masse 0,1 g tombe d'une hauteur de 1 m. En supposant que 0,05% de son énergie est convertie en une impulsion sonore d'une durée de 0,1 s, estimez la distance maximale à laquelle la broche tomber peut être entendue. Prenez comme intensité sonore minimale 10 ^-8 W / m ².

Solution

L'équation donnée ci-dessus sera utilisée pour l'intensité du son:

Une bonne question est de savoir d'où vient l'énergie sonore dans ce cas, celle dont l'oreille humaine détecte l'intensité.

La réponse est dans l'énergie potentielle gravitationnelle. Précisément parce que la broche tombe d'une certaine hauteur, à laquelle elle avait de l'énergie potentielle, lorsqu'elle tombe, elle transforme cette énergie en énergie cinétique.

Et une fois qu'elle touche le sol, l'énergie est transférée aux molécules d'air entourant le site de l'écrasement, donnant lieu au son.

L'énergie potentielle gravitationnelle U est:

Où m est la masse de la goupille, g est l'accélération de la gravité et h est la hauteur de laquelle elle est tombée. En substituant ces valeurs numériques, mais pas avant d'effectuer les conversions correspondantes dans le Système international d'unités, nous avons:

U = 0,1 x 10 ^-3 x 9,8 x 1 J = 0,00098 J

Le communiqué dit que de cette énergie, seulement 0,05% est transformé pour donner naissance à l'impulsion sonore, c'est-à-dire au tintement de la broche lorsqu'elle touche le sol. Par conséquent, l'énergie sonore est:

_Son E = 4,9 x 10 ^-7 J

A partir de l'équation d'intensité, le rayon R est effacé et les valeurs de l'énergie _sonore E _sonore et la durée de l'impulsion sont remplacées: 0,1 s selon l'énoncé.

Par conséquent, la distance maximale à laquelle la chute de la broche sera audible est de 6,24 m dans toutes les directions.

Références

1. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. Sixième édition. Prentice Hall. 332-359.
2. Kinsler, L. (2000). Fondamentaux de l'acoustique. 4e éd. Wiley & Sons. 124-125.