Rudiments d'acoustique/Quelques définitions
Définitions
modifierUne onde acoustique est produite par la vibration d’un objet matériel comme une peau de tambour, une cordes vocales, ou un haut parleur.
Le son est produit par les vibrations des molécules de l’air qui se propagent de proche en proche.
Le son est une onde acoustique audible qui se propage dans un milieu matériel. Exemple : air, eau, cloison d’immeuble.
Le son ne se propage pas dans le vide car il a besoin d’un milieu matériel susceptible de vibrer contrairement aux ondes électromagnétiques.
Il ne faut pas confondre le son et le vent. Le son est dû à la vibration des molécules qui restent sensiblement à la même place. Le vent est dû au déplacement des molécules.
Une onde est dite transversale si la vibration est perpendiculaire au déplacement. Exemple : vague, corde, ondes électromagnétiques. Une onde est dite longitudinale si la vibration est dans la direction du déplacement. Exemple : air, ressort. Le son est donc une onde longitudinale.
Front d’onde
modifierOn appelle front d’onde la surface virtuelle des points qui vibrent de façon synchrone (en phase).
Une onde est dite sphérique si le front d’onde est une sphère.
Une onde est dite plane si le front d’onde est un plan.
Une onde sphérique devient plane au bout de 2 à 3 mètres.
Célérité
modifierOn appelle célérité d’une onde, la vitesse de propagation du front d’onde.
On considère que la célérité du son dans l’air est de 340 m/s.
La célérité dépend du milieu.
| Milieu. | C(m/s) |
| Caoutchouc souple. | 70 |
| Vapeur d’eau. | 402 |
| Hélium | 970 |
| Hydrogène à 0° | 1270 |
| Eau | 1400 |
| Béton | 3000 |
| Acier, verre | 5000 |
La célérité dépend de la température.
Si T est en Kelvin (0° Celsius = 273 kelvins) c en m/s.
On a pour la célérité dans l'air :
Calculer T pour c = 340 m/s.
La célérité ne dépend pas du niveau sonore ni du fait que les sons soient graves ou aigus.
Le son se déplace à 340 m/s alors que la lumière se déplace à 3.108 m/s. C’est pour cela que lorsque la foudre tombe, on entend le tonnerre quelque seconde après avoir vu l’éclair.
Une onde sonore peut rebondir sur une paroi. On appelle cela un écho. On perçoit l’effet d’écho si celui-ci est supérieur à 50 ms.
Comme la célérité dépend du milieu, celle-ci peut servir à mesurer la température moyenne de celui-ci sur une grande distance.
Exemple : Océan. Atmosphère.
Le bang supersonique se produit lorsqu’un avion vole à une vitesse supérieure à celle du son. Le son s’accumule en certain point.
Réfraction
modifierLorsque la célérité n’est pas constante dans un milieu, l’onde subit un changement de direction. Ce phénomène est appelé réfraction.
La réfraction peut avoir lieu lors d’un changement de milieu.
La réfraction peut avoir lieu si la température n’est pas constante dans le milieu.
Exemple : salle d’opéra.
L’inversion de température dans l’air est un phénomène ou la température est anormalement plus chaude en altitude qu’au sol. Cela entraîne un rebondissement de l’onde sur le sol. Ce qui améliore la communication des éléphants dans la savane.
Le vent peut produire la réfraction.
Caractéristique d’une onde acoustique
modifierL’onde sinusoïdale est la plus simple des ondes.
Le son produit par une onde sinusoïdale est appelé son pur. Exemple : tonalité de téléphone.
Une onde sinusoïdale est caractérisée par son amplitude, sa fréquence, et sa phase à l’origine.
L’amplitude est l’écart maximal que parcours la particule par rapport à sa position d’équilibre.
La fréquence est le nombre d’oscillations par seconde de la particule. Elle est mesurée en hertz.
La période est le temps d’une oscillation.
Si f la fréquence est en hertz et T la période est en seconde, on a :
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La longueur d’onde est la distance parcourue par le front d’onde durant le temps d’une oscillation.
Si λ est la longueur d’onde en mètre, on a :
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Si l’on fait une analogie avec les vagues qui se propagent sur la mer, la longueur d’onde est la distance entre deux vagues.
Une onde périodique est une onde ou un motif de base se répète.
C’est le cas des instruments de musique.
La longueur d’onde est alors la longueur d’un motif.
S’il n’y a pas de motif de base, l’onde est non périodique.
Exemple : Cloche. Discourt, chute d’eau.
L’être humain perçoit les sons entre 20 Hz et 20 000 Hz.
Les infrasons ont une fréquence de moins de 20 Hertz.
Les ultrasons ont une fréquence de plus de 20 000 Hertz.
Les infrasons peuvent provoquer des nausées.(maximum à 7 hz)
Certains animaux perçoivent et émettent des ultrasons(insectes, chiens, rongeurs).
Rares sont ceux qui émettent et perçoivent les infrasons(éléphant, baleine)
La sensibilité humaine est maximale entre 2000 et 4 000 hz.
Supposons que l’on écoute une fréquence f. supposons que la plus petite variation de fréquence que l’on puisse percevoir soit df.
On appelle seuil différentiel le rapport df/f.
Il est par exemple de 1% à 500 hertz.
Un son fort peut masquer un son faible. Ce phénomène est appelé masquage. Les basses fréquences masquent davantage les hautes fréquences que les hautes fréquences ne masquent les basses.
Le masquage est utilisé dans les techniques de compression sonore. Les sons masqués ne sont pas numérisés.(MP3)
Phase d’un signal
modifierDeux ondes périodiques de même fréquence sont dites en phase si les vibrations atteignent simultanément leur maximum et leur minimum.
Ces ondes sont en phase :
Ces ondes ne sont pas en phase :
Deux ondes périodiques de même fréquence sont dites en opposition de phase si l’une atteint son maximum lorsque l’autre atteint son minimum.
Dans la figure ci-dessus les signaux vert et bleu sont en phase et le signal rouge est en opposition de phase avec les signaux vert et bleu.
Si deux haut-parleurs côte à côte émettent un son en phase, ce son est perçu plus fort car les signaux s’ajoutent.
Par contre, s’ils émettent des signaux en opposition de phase, le son peut être perçu faiblement car les signaux se neutralisent.
Cette technique dite de l’anti-bruit peut être mise à profit pour neutraliser des bruits gênants. On peut, dans un appartement, atténuer fortement les bruits indésirables venant par exemple d’une autoroute passant à proximité. Il suffit de capter avec un microphone le bruit provenant de l’autoroute et de le réémettre à l’aide d’un haut-parleur en opposition de phase pour neutraliser celui-ci.
