SON: HISTOIRE, CARACTÉRISTIQUES, MODE DE PRODUCTION, TYPES - PHYSIQUE - 2025

Le son est défini comme une perturbation de la propagation dans un milieu tel que l'air, alternativement il y produit des compressions et des dilatations. Ces changements de pression et de densité de l'air atteignent l'oreille et sont interprétés par le cerveau comme des sensations auditives.

Les sons accompagnent la vie depuis sa création, faisant partie des outils dont disposent les animaux pour communiquer entre eux et avec leur environnement. Certaines personnes disent que les plantes écoutent aussi, mais dans tous les cas elles pourraient percevoir les vibrations de l'environnement même si elles n'ont pas d'appareil auditif comme les animaux supérieurs.

Figure 1. Rupture du mur du son

En plus d'utiliser le son pour communiquer par la parole, les gens l'utilisent comme une expression artistique à travers la musique. Toutes les cultures, anciennes et récentes, ont des manifestations musicales de toutes sortes, à travers lesquelles elles racontent leurs histoires, leurs coutumes, leurs croyances religieuses et leurs sentiments.

L'histoire

En raison de son importance, l'humanité s'est intéressée à l'étude de sa nature et a créé l'acoustique, une branche de la physique dédiée aux propriétés et au comportement des ondes sonores.

On sait que le célèbre mathématicien Pythagore (569-475 avant JC) a longuement étudié les différences de hauteur (fréquence) entre les sons. D'un autre côté, Aristote, qui a spéculé sur tous les aspects de la nature, a correctement affirmé que le son se composait d'expansions et de compressions dans l'air.

Plus tard, le célèbre ingénieur romain Vitruve (80-15 av.J.-C.) a écrit un traité sur l'acoustique et ses applications dans la construction de théâtres. Isaac Newton lui-même (1642-1727) a étudié la propagation du son dans des milieux solides et a déterminé une formule pour sa vitesse de propagation.

Au fil du temps, les outils mathématiques de calcul ont permis d'exprimer adéquatement toute la complexité du comportement des vagues.

Caractéristiques sonores (propriétés)

Dans sa forme la plus simple, une onde sonore peut être décrite comme une onde sinusoïdale, se propageant dans le temps et l'espace, comme celle représentée sur la figure 2. On y observe que l'onde est périodique, c'est-à-dire qu'elle a un une manière qui se répète dans le temps.

Étant une onde longitudinale, la direction de propagation et la direction dans laquelle les particules du milieu vibrant se déplacent sont les mêmes.

Paramètres des ondes sonores

Figure 2. Le son est une onde longitudinale, la perturbation se propage dans la même direction dans laquelle les molécules subissent leur déplacement. Source: Wikimedia Commons.

Les paramètres d'une onde sonore sont:

Période T: c'est le temps qu'il faut pour répéter une phase de l'onde. Dans le système international, il est mesuré en secondes.

Cycle: est la partie de la vague contenue dans la période et couvre d'un point à un autre qui a la même hauteur et la même pente. Cela peut être d'une vallée à l'autre, d'une crête à l'autre, ou d'un point à un autre qui répond à la spécification décrite.

Longueur d'onde λ: est la distance entre une crête et une autre de la vague, entre une vallée et une autre, ou en général entre un point et le suivant de même hauteur et pente. Étant une longueur, elle est mesurée en mètres, bien que d'autres unités soient plus appropriées en fonction du type de vague.

Fréquence f: est définie comme le nombre de cycles par unité de temps. Son unité est le Hertz (Hz).

Amplitude A: correspond à la hauteur maximale de la vague par rapport à l'axe horizontal.

Comment le son est-il produit et propagé?

Le son est produit lorsqu'un objet qui est immergé dans un milieu matériel vibre, comme illustré au bas de la figure 2. La membrane tendue du haut-parleur à gauche vibre et transmet la perturbation à travers l'air jusqu'à ce que atteint l'auditeur.

Au fur et à mesure que la perturbation se propage, l'énergie est transmise aux molécules de l'environnement, qui interagissent les unes avec les autres, par expansions et compressions. Vous avez toujours besoin d'un support matériel pour la propagation du son, qu'il soit solide, liquide ou gazeux.

Lorsque la perturbation de l'air atteint l'oreille, les variations de pression de l'air font vibrer le tympan. Cela donne lieu à des impulsions électriques qui sont transmises au cerveau par le nerf auditif, et une fois là, les impulsions sont traduites en son.

Vitesse du son

La vitesse des ondes mécaniques dans un milieu donné suit cette relation:

Par exemple, lors de la propagation dans un gaz comme l'air, la vitesse du son peut être calculée comme suit:

À mesure que la température augmente, la vitesse du son augmente également, car les molécules du milieu sont plus disposées à vibrer et à transmettre la vibration par leurs mouvements. La pression, en revanche, n'affecte pas sa valeur.

Relation entre la longueur d'onde et la fréquence

Nous avons déjà vu que le temps qu'il faut à l'onde pour terminer un cycle est la période, tandis que la distance parcourue pendant cette période de temps est égale à une longueur d'onde. Par conséquent, la vitesse v du son est définie comme:

Par contre, la fréquence et la période sont liées, l'une étant l'inverse de l'autre, comme ceci:

Qui conduit à:

La gamme de fréquences audibles chez l'homme est comprise entre 20 et 20 000 Hz, par conséquent la longueur d'onde du son est comprise entre 1,7 cm et 17 m lors de la substitution des valeurs dans l'équation ci-dessus.

Ces longueurs d'onde sont de la taille des objets communs, ce qui influe sur la propagation du son, car étant une onde, elle subit une réflexion, une réfraction et une diffraction lorsqu'elle rencontre des obstacles.

Faire l'expérience de la diffraction signifie que le son est affecté lorsqu'il rencontre des obstacles et des ouvertures qui sont proches ou plus petits que sa longueur d'onde.

Les sons de basse peuvent mieux se propager sur de longues distances, c'est pourquoi les éléphants utilisent des infrasons (sons à très basse fréquence, inaudibles à l'oreille humaine) pour communiquer sur leurs vastes territoires.

De plus, quand il y a de la musique dans une pièce voisine, les graves sont mieux entendus que les aigus, car leur longueur d'onde est à peu près de la taille des portes et des fenêtres. Par contre, en sortant de la pièce, les sons aigus se perdent facilement et cessent donc d'être entendus.

Comment le son est-il mesuré?

Le son consiste en une série de compressions et de raréfactions de l'air, de telle sorte qu'à mesure qu'il se propage, le son provoque des augmentations et des diminutions de pression. Dans le système international, la pression est mesurée en pascals, qui est abrégé Pa.

Ce qui se passe, c'est que ces changements sont très faibles par rapport à la pression atmosphérique, qui vaut environ 101 000 Pa.

Même les sons les plus forts produisent des fluctuations d'aussi peu que 20-30 Pa (seuil de douleur), une quantité assez faible en comparaison. Mais si vous pouvez mesurer ces changements, alors vous avez un moyen de mesurer le son.

La pression sonore est la différence entre la pression atmosphérique avec son et la pression atmosphérique sans son. Comme nous l'avons dit, les sons les plus forts produisent des pressions sonores de 20 Pa, tandis que les plus faibles provoquent environ 0,00002 Pa (seuil sonore).

Puisque la gamme des pressions sonores s'étend sur plusieurs puissances de 10, une échelle logarithmique doit être utilisée pour les indiquer.

D'un autre côté, expérimentalement, il a été déterminé que les gens perçoivent les changements dans les sons de faible intensité plus nettement que les changements de même ampleur mais dans les sons intenses.

Par exemple, si la pression acoustique augmente de 1, 2, 4, 8, 16…, l'oreille perçoit des augmentations de 1, 2, 3, 4… en intensité. Pour cette raison, il convient de définir une nouvelle grandeur appelée niveau de pression acoustique (niveau de pression acoustique) L _P, définie comme:

Où P _o est la pression de référence qui est prise comme seuil d'audition et P ₁ est la pression effective moyenne ou pression RMS. Cette RMS ou pression moyenne est ce que l'oreille perçoit comme l'énergie moyenne du signal sonore.

Décibels

Le résultat de l'expression ci-dessus pour L _P, lorsqu'il est évalué pour diverses valeurs de P ₁, est donné en décibels, une quantité sans dimension. Exprimer le niveau de pression acoustique de cette manière est très pratique, car les logarithmes convertissent de grands nombres en nombres plus petits et plus faciles à gérer.

Cependant, dans de nombreux cas, il est préférable d'utiliser l'intensité sonore pour déterminer les décibels, plutôt que la pression acoustique.

L'intensité sonore est l'énergie qui circule pendant une seconde (puissance) à travers une surface unitaire orientée perpendiculairement à la direction dans laquelle l'onde se propage. Comme la pression acoustique, il s'agit d'une grandeur scalaire et est notée I. Les unités de I sont W / m ², c'est-à-dire la puissance par unité de surface.

On peut montrer que l'intensité du son est proportionnelle au carré de la pression acoustique:

Dans cette expression, ρ est la densité du milieu et c est la vitesse du son. Ensuite, le niveau d'intensité sonore L _I est défini comme:

Ce qui est également exprimé en décibels et est parfois désigné par la lettre grecque β. La valeur de référence I _o est de 1 x ^10-12 W / m ². Ainsi, 0 dB représente la limite inférieure de l'audition humaine, tandis que le seuil de douleur est de 120 dB.

Puisqu'il s'agit d'une échelle logarithmique, il faut souligner que de petites différences dans le nombre de décibels font une grande différence en termes d'intensité sonore.

Le sonomètre

Un sonomètre ou décibelmètre est un appareil utilisé pour mesurer la pression acoustique, indiquant la mesure en décibels. Il est conçu pour y répondre de la même manière que l'oreille humaine le ferait.

Figure 3. Le sonomètre ou décibelmètre est utilisé pour mesurer le niveau de pression acoustique. Source: Wikimedia Commons.

Il se compose d'un microphone pour collecter le signal, de plusieurs circuits avec amplificateurs et filtres, qui sont responsables de la transformation adéquate de ce signal en courant électrique, et enfin d'une échelle ou d'un écran pour montrer le résultat de la lecture.

Ils sont largement utilisés pour déterminer l'impact de certains bruits sur les personnes et l'environnement. Par exemple, les bruits dans les usines, les industries, les aéroports, le bruit de la circulation et bien d'autres.

Types de sons (infrasons, ultrasons, mono, stéréo, polyphoniques, homophoniques, graves, aigus)

Le son est caractérisé par sa fréquence. Selon ceux que l'oreille humaine peut capter, tous les sons sont classés en trois catégories: ceux que nous pouvons entendre ou le spectre audible, ceux qui ont une fréquence inférieure à la limite inférieure du spectre audible ou infrason, et ceux qui sont au-dessus du spectre audible. limite supérieure, appelée échographie.

Dans tous les cas, puisque les ondes sonores peuvent se chevaucher linéairement, les sons de tous les jours, que nous interprétons parfois comme uniques, se composent en fait de sons différents avec des fréquences différentes mais proches.

Figure 4. Spectre sonore et gammes de fréquences. Source: Wikimedia Commons.

Spectre audible

L'oreille humaine est conçue pour capter une large gamme de fréquences: entre 20 et 20 000 Hz. Mais toutes les fréquences de cette gamme ne sont pas perçues avec la même intensité.

L'oreille est plus sensible dans la bande de fréquences comprise entre 500 et 6 000 Hz. Cependant, il existe d'autres facteurs qui affectent la capacité de percevoir le son, comme l'âge.

Infrasons

Ce sont des sons dont la fréquence est inférieure à 20 Hz, mais le fait que les humains ne puissent pas les entendre ne signifie pas que les autres animaux ne le peuvent pas. Par exemple, les éléphants les utilisent pour communiquer, car les infrasons peuvent parcourir de longues distances.

D'autres animaux, comme le tigre, les utilisent pour étourdir leurs proies. Les infrasons sont également utilisés dans la détection de gros objets.

Ultrason

Ils ont des fréquences supérieures à 20 000 Hz et sont largement utilisés dans de nombreux domaines. L'une des utilisations les plus notables de l'échographie est en tant qu'outil de médecine, à la fois diagnostique et thérapeutique. Les images obtenues par ultrasons sont non invasives et n'utilisent pas de rayonnement ionisant.

Les ultrasons sont également utilisés pour trouver des défauts dans les structures, déterminer les distances, détecter les obstacles pendant la navigation, etc. Les animaux utilisent également les ultrasons et c'est ainsi que leur existence a été découverte.

Les chauves-souris émettent des impulsions sonores puis interprètent l'écho qu'elles produisent pour estimer les distances et localiser les proies. De leur côté, les chiens peuvent également entendre les ultrasons et c'est pourquoi ils répondent au sifflement du chien que leur propriétaire n'entend pas.

Son monophonique et son stéréophonique

Figure 4. Dans un studio d'enregistrement, le son est modifié de manière appropriée par des appareils électroniques. Source: Pixabay.

Le son monophonique est un signal enregistré avec un seul microphone ou canal audio. Lorsque vous écoutez avec des écouteurs ou des cornes sonores, les deux oreilles entendent exactement la même chose. En revanche, le son stéréophonique enregistre les signaux avec deux microphones indépendants.

Les microphones sont situés dans différentes positions afin de pouvoir capter différentes pressions sonores de ce que vous souhaitez enregistrer.

Ensuite, chaque oreille reçoit l'un de ces ensembles de signaux, et lorsque le cerveau les rassemble et les interprète, le résultat est beaucoup plus réaliste que lors de l'écoute de sons monophoniques. C'est donc la méthode préférée en matière de musique et de cinéma, bien que le son monophonique ou monophonique soit toujours utilisé à la radio, en particulier pour les interviews et les conversations.

Homophonie et polyphonie

Musicalement parlant, l'homophonie consiste en la même mélodie jouée par au moins deux voix ou instruments. Par contre, en polyphonie, il y a au moins deux voix ou instruments d'égale importance qui suivent des mélodies et même des rythmes différents. L'ensemble résultant de ces sons est harmonieux, comme la musique de Bach.

Sons graves et aigus

L'oreille humaine distingue les fréquences audibles comme étant élevées, basses ou moyennes. C'est ce que l'on appelle la hauteur du son.

Les fréquences les plus élevées, entre 1600 et 20 000 Hz, sont considérées comme des sons aigus, la bande entre 400 et 1600 Hz correspond aux sons de ton moyen et enfin, les fréquences dans la gamme de 20 à 400 Hz sont les basses.

Les sons graves diffèrent des aigus en ce que les premiers sont perçus comme profonds, sombres et en plein essor, tandis que les seconds sont légers, clairs, joyeux et perçants. De plus, l'oreille les interprète comme plus intenses, contrairement aux sons de basse, qui produisent la sensation de moins d'intensité.

Références

1. Figueroa, D. 2005. Vagues et physique quantique. Série: Physique pour la science et l'ingénierie. Edité par D. Figueroa.
2. Giancoli, D. 2006. Physique: principes et applications. 6e. Ed Prentice Hall.
3. Rocamora, A. Notes sur l'acoustique musicale. Récupéré de: eumus.edu.uy.
4. Serway, R., Jewett, J. (2008). Physique pour la science et l'ingénierie. Volume 1. 7e. Ed. Cengage Learning.
5. Wikipédia. Acoustique. Récupéré de: es.wikipedia.org.