Son (physique)

Pour les articles homonymes, voir Son.

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.

Comme pour tous les phénomènes perçus, le temps joue un rôle fondamental pour l'acoustique (et encore plus en musique). Il existe même des relations très étroites entre l'espace et le temps, vu que le son est une onde qui se propage dans l'espace au cours du temps.

Propagation du son

Article détaillé : Vitesse du son.

Propagation d'ondes sphériques de pression dans un fluide

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. Seule la compression se déplace et non les molécules d'air, si ce n'est de quelques micromètres, de la même façon que lorsque on jette une pierre dans l'eau, les vagues se déplacent en s'éloignant du point de chute, 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, résultant en une contrainte du matériau, équivalent à la pression dans un fluide, mais plus difficile à mesurer. Là encore, seule la contrainte se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre.

La vitesse de propagation du son (par analogie, on parle également de la célérité, cette dernière étant définie pour des ondes électromagnétiques) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Dans un gaz parfait la vitesse de propagation du son est donnée par la relation :

$c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi_S}}$ où $\,\rho$ est la masse volumique du gaz et $\,\chi_S$ sa compressibilité isentropique.

On voit donc que la vitesse de propagation du son diminue

• lorsque la densité du gaz augmente (effet d'inertie)
• lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente.

Dans l'eau, la vitesse du son est de 1 482 m/s. Dans d'autres milieux, les vibrations peuvent se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l'acier, les vibrations se propagent-elles à 5 050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide, faute de matière dont la vibration pourrait se propager en ondes sonores (isolation phonique).

Dans les fluides, l'onde sonore est longitudinale, c'est-à-dire que la vibration des particules du milieu se fait parallèlement à la direction de déplacement de l'onde. Il n'en est pas de même dans les solides, dont la rigidité permet la transmission d'ondes de contraintes transversales. De même, quoique dans une moindre mesure, la viscosité d'un fluide peut modifier, particulièrement dans des conditions extrêmes, les équations de propagation calculées pour un gaz parfait.

Propagation dans l'atmosphère

Quand il s'agit de l'atmosphère, il convient, pour prévoir la propagation du son, de connaître en plus la structure thermique de la masse d'air traversée ainsi que la direction du vent car :

– le son se propage moins bien à l'horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. (Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l'Antiquité)

– l'atténuation est nettement moins forte sous le vent. (Tant que son régime au sol n'est pas trop turbulent). Le gradient de vent couche l'onde sonore en la rabattant vers le sol (la vitesse du vent augmente avec la hauteur par rapport au sol), à l'inverse, l'onde voyageant contre le vent s'entend beaucoup moins (au sol) car le même gradient la dévie vers le ciel.

– le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, suite au refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un train à 5 km d'une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l'inversion en effet guide d'onde.

Les ondes sonores se déplacent à environ 341 m/s dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre toutes les trois secondes. Cette notion ne peut cependant pas être utilisée pour mesurer même grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage, même si la vitesse de la lumière rend sa perception quasi instantanée. En effet les perturbations atmosphériques générées par l'éclatement sont telles que cette approximation de vitesse de déplacement des ondes sonores dans le milieu n'a plus de réalité physique^{[réf. nécessaire]}.

Intensité de l'impression sonore

Articles détaillés : Sonie, Pression acoustique et Intensité acoustique.

La psychoacoustique étudie l'intensité sonore ressentie en présence d'un son physique donné. Cette impression de son fort ou doux (les musiciens disent forte ou piano) dépend principalement de la valeur efficace de la pression acoustique, qui est la petite variation de pression atmosphérique qui définit le son.

Grandeur de l'onde sonore, sonie

Articles détaillés : Intensité acoustique, Pression acoustique, Décibel (bruit) et Décibel A (dB A).

On peut utiliser deux grandeurs, liées entre elles, pour exprimer le niveau sonore : l'intensité acoustique, en watts par mètre carré, ou la pression acoustique, en pascals (newton par mètre carré, N.m^-2). On mesure la pression acoustique en un point avec un sonomètre ; l'intensité acoustique, qui inclut la direction de propagation de l'onde et est moins directement reliée à la perception et moins accessible à la mesure, sert pour les calculs d'acoustique.

Cependant, on utilise rarement ces unités physiques dans la communication courante.

– il est peu commode de représenter des valeurs de pression acoustique en Pascals (Pa) étalées sur une échelle de un à un million, des sons les plus faibles aux plus forts, et moins encore de représenter les intensités, étalées sur une échelle de un à mille milliards ;

– la sensibilité de l'oreille est relative, c'est-à-dire qu'une augmentation de la pression acoustique de 1 Pa à 1,5 Pa est perçue comme identique à une augmentation de 0,1 Pa à 0,15. Ce qui compte, c'est le multiplicateur (dans les deux cas, +50 %).

La pression sonore et l'intensité s'expriment souvent en décibels (dB). C'est une grandeur sans dimension, un Bel étant le logarithme décimal du rapport de puissance entre une grandeur caractéristique du son étudié et celle d'un son de référence. Ces valeurs de référence sont, pour l'intensité acoustique, I₀ = 1×10^-12 W⋅m^-2 (un picowatt par mètre carré) et pour la pression acoustique P₀ = 2×10^-5 Pa (20 micropascals).

Les décibels se réfèrent au logarithme décimal de la puissance. L'intensité acoustique est une puissance par mètre carré, donc multiplier l'intensité acoustique par 10, c'est augmenter le niveau sonore de 10 dB, la multiplier par 100, c'est augmenter le niveau de 20 dB, etc. La puissance est proportionnelle au carré de la pression : multiplier la pression acoustique par 10, c'est multiplier la puissance par 100, donc augmenter le niveau de 20 dB, et multiplier la pression acoustique par 100, c'est multiplier la puissance par dix mille, et ajouter 40 dB au niveau.

Le niveau 0 dB correspond à un son pratiquement imperceptible. Tous les niveaux sonores sont donc des nombres positifs.

Le niveau de pression acoustique ne donne qu'une première idée de la sonie ou bruyance (sensation sonore perçue). La sensibilité de l'oreille varie selon la fréquence du son ; l'oreille est plus sensible aux fréquences moyennes. Pour se rapprocher de cette sensibilité, le signal électrique qui représente la pression acoustique peut être filtré. De nombreuses lois et règlements imposent un filtre à pondération « A ». On parle alors de décibel pondéré A ( dB A).

Différentes mesures du niveau d'un son

Article connexe : Sonie.

Le niveau d'un son, c'est-à-dire la sensation sonore, dépend de la puissance transmise aux oreilles des auditeurs. Pour l'évaluer, on utilise un microphone qui transforme la pression acoustique en un signal électrique que l'on mesure. La grandeur qui reflète le niveau sonore est la valeur efficace de la pression acoustique ou de la tension électrique qui la représente, qui est la valeur continue qui produit la même puissance que le signal. La valeur efficace est la racine carrée de la moyenne quadratique des valeurs du signal, dite aussi valeur RMS (Root Mean Square).

Dans les études de protection contre les bruits, on considère

• les valeurs efficaces pondérées en fréquence sur un petit espace de temps,
• le cumul des valeurs efficaces pondérées en fréquence sur le temps d'exposition,
• les valeurs de crête, qui peuvent, si elles sont extrêmes, occasionner un traumatisme, sans pour autant affecter les valeurs efficaces si elles sont à la fois brèves et rares.

Article connexe : Sonomètre.

Toutes ces mesures se réalisent sur un point. Mais le son se propage en ondes dans l'atmosphère dans toutes les directions. L'étude d'un son inclut l'étude de sa propagation dans les trois dimensions, et pour un point donné, la mesure peut inclure celle de la direction de propagation (voir Intensité acoustique).

Caractérisation d'un son

En dehors de son intensité, plusieurs caractères permettent de distinguer des sons différents, même s'ils proviennent de la même direction.

Fréquence et hauteur

La fréquence principale d'un son, exprimée en hertz (Hz), est directement liée à la hauteur d'un son perçu, mais n'en est qu'une des composantes (voir l'article Psychoacoustique). À une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

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

– les physiologistes s'accordent à dire que l'oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 16 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons puis d'hyperson au-dessus de 1 GHz) ;

– le chat peut percevoir des sons jusqu'à 65 kHz ;

– le chien perçoit les sons jusqu'à 45 kHz ;

– la chauve-souris et le dauphin peuvent percevoir les sons de fréquence 500 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 chauve-souris émettent des ultrasons (100 kHz) avec leur système d'écholocation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total.

Pour avoir les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée (musique classique occidentale), voir Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l'octave.

Timbre

Article détaillé : Timbre (musique).

Le timbre est "ce qui dans le signal acoustique permet d'identifier la source".

Les éléments physiques du timbre comprennent :

– la répartition des fréquences dans le spectre sonore,

– les relations entre les parties du spectre, harmoniques ou non,

– les bruits colorés existant dans le son (qui n'ont pas de fréquence particulière, mais dont l'énergie est limitée à une ou plusieurs bandes de fréquence),

– l'évolution dynamique globale du son,

– l'évolution dynamique de chacun des éléments les uns par rapport aux autres.

La sélection des éléments pertinents est une question Psychoacoustique.

Classes de signaux acoustiques

On étudie le son soit comme support d'une transmission d'information comme la parole ou la musique, soit comme nuisance (Bruit). Pour ce faire, on génère des signaux acoustiques, dont on connaît bien les caractéristiques à l'émission, et on examine ce qu'ils deviennent en passant par le système qu'on étudie, qui pourrait être par exemple un mur anti-bruit, ou un hall où des messages doivent être diffusés, ou un studio d'enregistrement.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques pour l'étude de la réponse acoustique des systèmes:

– périodiques, dont la forme se répète à l'identique dans le temps ;

– aléatoires, qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. D'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques statistiques stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement, c'est le cas des bruits « blanc ou rose » utilisés par les scientifiques et certains artistes ;

– impulsionnels : qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.

Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans l'espace temporel ou dans l'espace fréquentiel. Dans ce dernier, on aura souvent recours à l'utilisation du spectre du signal, calculé depuis sa définition fréquentielle (dite du domaine de Fourier). Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés partiels. Dans le cas d'un signal périodique stable, le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée « raie ». Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes (voir à ce sujet l'article sur la transformée de Fourier).

Annexes

Articles connexes

• Son
• Son musical
• Bruit, ultrason, infrason ;
• Onde, Onde mécanique progressive ;
• Vitesse du son, Mur du son ;
• Effet Doppler-Fizeau ;
• Ingénieur du son ;
• Sonothèque ;
• Sonorisation ;
• Sonification ;
• Enregistrement sonore
• Formation aux métiers du son ;
• Thermoacoustique;
• Acoustique non linéaire.

Bibliographie

• Michel Chion, Le Son, Armand Colin, Paris, 2006, (ISBN 2-200-34103-2)

Liens externes

• (fr) www.techniquesduson.com : informations pratiques, fiches techniques, notions théoriques, etc.
• (fr) Audiomaniac - L'univers des sons et des effets sonores : La physique du son