Son (physique)

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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.

Sommaire

1 Propagation du son

2 Fréquence et hauteur

3 Amplitude et intensité

3.1 Unité de mesure
3.2 Différentes mesures de l’amplitude

8 Le son et l’informatique

8.1 L’acquisition

9 Voir aussi

Propagation du son

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). Pour cette raison, il n’y a pas de « vent » devant un haut-parleur. 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.
La vitesse de propagation du son (on parle également de la célérité) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l’air est proche d’un gaz parfait, la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. Dans un gaz parfait la célérité est donnée par la relation $c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi}}$ ou $ρ$ est la masse volumique du gaz et $χ$ sa compressibilité. On voit donc que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d’inertie) et lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume sous l’effet d’une contrainte) augmente.
Les ondes sonores se déplacent 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 l’eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l’acier de 5050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide, car il n’y a pas de matière pour supporter les ondes produites.

Fréquence et hauteur

La fréquence d’un son est exprimée en Hertz (Hz), elle est directement liée à la hauteur d’un son perçu, mais n'en est qu'une des composantes (voir 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.

L’oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquence située environ (selon l’âge, la culture, etc.), entre 30 Hz (au-deça les sons sont qualifiés d’infrasons) et 15 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d’ultrasons). Certains physiologistes étendent même les limites de cette plage entre 20 HZ et 20 KHz.
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 chauve-souris utilisent les ultrasons avec leur système d’écholocation leur permettant de se déplacer dans le noir total.

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λ: Longueur de l’onde

F: fréquence

Longueur d’onde et fréquence dans l'air

Amplitude et intensité

Autre caractéristique importante d’un son, son amplitude. L'intensité perçue dépend (entre autre) 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 pressions de l’onde. (cf psychoacoustique)

Unité de mesure

Là où habituellement la pression est mesurée en pascals, en acoustique l’intensité se mesure en décibels (dB). C'est une unité qui utilise le logarithme soit du rapport de l'intensité sonore sur l’intensité de référence (10^-12W.m^-2), exprimées en watts par mètre carré soit du rapport de la pression produite sur la pression de référence (2.10^-5 Pa), exprimées en pascals. Elle a été choisie ainsi parce que cela permet d’avoir des chiffres aisément manipulables, qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits (cf. échelle logarithmique), et parce que cette approche correspond mieux à ce que perçoit l’oreille humaine en terme de sensation sonore. Mais attention, 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 (l’oreille est moins sensible aux basses fréquences). Une meilleure approximation du volume perçu est donnée en dBA ou décibels pondéré A, elle peut être mesuré électroniquement après filtrage du signal par un filtre à pondération A (il existe également des pondérations B et C adaptées aux mesures de sons d’intensités plus grandes).

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 (voir Psychoacoustique). Il suffit de changer la référence de puissance ou de pression (P₀ ou W₀ dans les formules ci-dessous) 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 : la valeur 0 dB représente bien souvent la puissance maximale que l’amplificateur est capable de délivrer.

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Figure 3a: Niveau de bruit en pression	Figure 3b: Niveau de bruit en puissance

Différentes mesures de l’amplitude

Il existe plusieurs façons de mesurer l’amplitude d’un son, et par extension, d’un signal quelconque de nature ondulatoire :

l’amplitude moyenne (la valeur moyenne arithmétique du signal positif)
l’amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)
l’amplitude crête (maximale positive)
l’amplitude crête à crête (l’écart maximal d’amplitude positive et négative)

Dans la pratique, l’amplitude moyenne présente peu d’intérêt et n’est pas utilisée. En revanche, la valeur efficace ou RMS, pour Root Mean Square en anglais, soit la valeur quadratique moyenne du signal est universellement adoptée pour mesurer la valeur des tensions alternatives, dans le cadre général autant qu’en acoustique. Un amplificateur qui est donné pour 10 watts RMS fera 14 watts en crête et 28 watts en crête à crête (aussi noté cc). Les mesures de puissance crête à crête sont assez souvent appelées « watts musicaux » par les vendeurs de matériel audiovisuel car les chiffres sont plus flatteurs.

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 force. Le timbre musical est très difficile à définir autrement que de manière négative (le timbre n’est pas ...). Pourtant, depuis le milieu du XXe siècle, l’acoustique a fait de grands progrès dans l'étude de cette composante, grâce au perfectionnement des instruments d’analyse du son (voir l'article Timbre).

Dans un sens restreint du mot, le timbre représente aussi la clochette ou à l’avertisseur sonore que l'on utilise dans les hôtels ou sur un vélo pour avertir de sa présence.

C’est aussi un élément de la caisse claire, situé en dessous (voir la description d’une batterie). Cet élément est constitué généralement de fils métalliques vibrant sous l’effet de la frappe, donnant le son caractéristique de la caisse claire.

Espace-temps

Comme 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.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques :

périodiques : Signaux dont la forme se répète dans le temps (à l’identique) ;
aléatoires : Signaux qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce qui suit, et 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 : Signaux 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 comme une sirène, 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.

Enregistrement

Article détaillé : Enregistrement sonore

La musique

La musique est l’art de combiner les sons en termes de mélodie et/ou d’harmonie (notamment). En ce qui concerne la musique occidentale tout du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la consonance qui est intimement liée au phénomène des sons harmoniques. Cependant, et depuis des siècles, les musiciens et les théoriciens ont buté sur l’impossibilité d’aboutir à la définition d’une échelle musicale « idéale ».

Un exposé complet des problèmes posés fait l’objet de l’article gammes et tempéraments et de plusieurs articles associés.

La comparaison de termes musicaux et de leur équivalent scientifiques (hauteur et fréquence, par exemple) montre la limite en art et science, limite que l’acoustique musicale a tenté de franchir en montrant les rapports qui peuvent s’établir entre la perception humaine de la musique et les phénomènes physiques qui peuvent être liés.

Le son et l’informatique

Depuis la découverte de la synthèse numérique des sons, et avec l’arrivée d’ordinateurs personnels équipés en standard d'une carte son, il est devenu à la portée de tous d’enregistrer et de traiter les sons. De nombreux professionnels se tournent vers des solutions numériques, de moins en moins onéreuses, qui offrent, avec la progression de la capacité des ordinateurs, une foule de possibilités. Les cartes son haut de gamme possèdent de nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques pour relier synthétiseurs et tables de mixage. L’informatique musicale s'est ainsi développée au même rythme que les capacités de calcul des ordinateurs.

L’acquisition

Quand nous allons vouloir traiter du son avec un ordinateur, nous allons procéder à son acquisition. Cette opération consiste à transformer les variations de pression du son, en une suite de nombres que les moyens informatiques pourront traiter. On appelle cette transformation l’échantillonnage du signal. Pour cela, on utilise un microphone qui convertit les variations de pressions de l’air en signaux électriques que l'on relie a un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC en anglais, pour Analog to Digital Converter) qui va numériser ce signal à pas régulier, le transformer en une suite de nombres. Ce travail est généralement réalisé par les cartes son sur les ordinateurs personnels.

simple:Sound

Voir aussi

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