Émission et perception d'un son

Introduction

Le son fait partie de notre quotidien : musique, parole, bruit de la circulation, chant des oiseaux… Mais qu'est-ce qu'un son, physiquement ? Comment est-il produit, comment se propage-t-il, et comment notre oreille le perçoit-elle ?

Ce chapitre te fait découvrir la physique du son : de sa production par un objet en vibration jusqu'à sa perception par l'oreille, en passant par sa propagation dans un milieu matériel, sa caractérisation par la période et la fréquence, et les dangers liés à l'exposition sonore.

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1. Émission d'un signal sonore

1.1 Un objet en vibration

Un son est produit par la vibration d'un objet : une corde de guitare, la membrane d'un haut-parleur, les cordes vocales, un diapason… L'objet vibre, c'est-à-dire qu'il effectue un mouvement de va-et-vient rapide autour de sa position d'équilibre.

Ces vibrations se transmettent au milieu environnant (l'air, en général) sous forme de compressions et de dilatations successives des couches d'air. C'est cette perturbation qui constitue le signal sonore.

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1.2 Rôle de la caisse de résonance

Un objet vibrant seul (comme une corde de guitare non montée sur une guitare) produit un son très faible. La caisse de résonance (le corps de la guitare, par exemple) amplifie le son en mettant en vibration un plus grand volume d'air.

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2. Propagation d'un signal sonore

2.1 Nécessité d'un milieu matériel

Le son ne se propage pas dans le vide. Il a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gaz) pour se propager. Les molécules du milieu transmettent la vibration de proche en proche, sans se déplacer elles-mêmes sur de grandes distances.

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2.2 Vitesse de propagation

La vitesse de propagation du son dépend du milieu traversé :

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2.3 Relation distance-vitesse-durée

$v = \frac{d}{\Delta t} \quad \Leftrightarrow \quad d = v \times \Delta t \quad \Leftrightarrow \quad \Delta t = \frac{d}{v}$

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3. Signal sonore périodique : période et fréquence

3.1 Signal périodique

Un signal sonore est périodique si son motif se répète identiquement à intervalles de temps réguliers. La plupart des sons musicaux sont périodiques (ou quasi-périodiques).

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3.2 Période T

La période T est la durée du plus petit motif qui se répète. Elle s'exprime en secondes (s).

Pour la déterminer sur un graphe (signal en fonction du temps), on repère deux points identiques consécutifs du motif et on mesure la durée qui les sépare.

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3.3 Fréquence f

La fréquence f est le nombre de motifs (ou de vibrations) par seconde. Elle s'exprime en hertz (Hz).

$f = \frac{1}{T}$

et inversement : $T = \frac{1}{f}$

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4. Perception du son

4.1 Hauteur et fréquence

La hauteur d'un son est la perception de sa fréquence par l'oreille :

• Un son de haute fréquence est perçu comme aigu.
• Un son de basse fréquence est perçu comme grave.

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4.2 Domaines de fréquences

L'oreille humaine ne perçoit pas toutes les fréquences. On distingue trois domaines :

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4.3 Timbre et forme du signal

Deux instruments jouant la même note (même fréquence) ne produisent pas le même son : un piano et une flûte jouant un La₃ à 440 Hz sonnent différemment. C'est le timbre qui les distingue.

Le timbre est lié à la forme du signal : un signal sinusoïdal pur (diapason) a un timbre « neutre », tandis que les instruments de musique produisent des signaux de forme plus complexe.

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4.4 Intensité sonore et niveau d'intensité sonore

L'intensité sonore I (en W·m⁻²) est la puissance sonore reçue par unité de surface. Plus l'intensité est grande, plus le son est perçu comme fort.

Le niveau d'intensité sonore L (en décibels, dB) est une grandeur qui traduit l'intensité sonore sur une échelle adaptée à la perception humaine. C'est une échelle non linéaire (logarithmique) : une augmentation de 10 dB correspond à une intensité sonore multipliée par 10, mais est perçue comme un doublement approximatif de la sensation de volume.

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4.5 Échelle des niveaux d'intensité sonore et dangers

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L'essentiel du chapitre

Émission : un son est produit par la vibration d'un objet. La caisse de résonance amplifie le son en améliorant le transfert d'énergie vers l'air.

Propagation : le son a besoin d'un milieu matériel (pas de son dans le vide). Vitesse dans l'air : v ≈ 340 m·s⁻¹. Relation : v = d/Δt.

Période T (en s) : durée du plus petit motif répété. Fréquence f (en Hz) : nombre de vibrations par seconde. f = 1/T.

Hauteur : liée à la fréquence (aigu = haute f, grave = basse f). Timbre : lié à la forme du signal (distingue les instruments).

Sons audibles : 20 Hz à 20 000 Hz. En dessous : infrasons. Au-dessus : ultrasons.

Niveau d'intensité sonore : en décibels (dB), échelle non linéaire. Seuil de danger : 85 dB. Seuil de douleur : 120 dB. L'exposition prolongée à des niveaux élevés cause des dommages irréversibles.