Émission et perception d’un son

1Émission et propagation d’un son

Définition. Un son est émis par un objet qui vibre : corde, membrane, lame, colonne d’air, haut-parleur. Cette vibration comprime puis dilate l’air tout près de la source, et ces variations de pression se propagent de proche en proche jusqu’à l’oreille.

Propriété. Un son a besoin d’un milieu matériel pour se propager (air, eau, métal) : il ne se propage pas dans le vide. C’est ce que montre l’expérience de la cloche à vide, où le son s’éteint à mesure que l’air est extrait, alors qu’on voit toujours le marteau frapper.

Remarque. La caisse de résonance d’un instrument met en vibration un grand volume d’air : le son émis est beaucoup plus fort, mais sa fréquence ne change pas.

2Vitesse de propagation du son

Définition. La vitesse (ou célérité) du son est la distance parcourue par seconde :

avec $d$ en ${\mathrm{m}}$, $\Delta t$ en ${\mathrm{s}}$ et $v$ en ${\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}$.

Propriété. Le son se propage plus vite dans les solides que dans les liquides, et plus vite dans les liquides que dans les gaz. Dans un milieu donné, la vitesse ne dépend ni de la fréquence ni du niveau sonore.

Méthode — écho. Un son réfléchi par un obstacle situé à la distance $d$ effectue l’aller et le retour : il parcourt $2d$. On a donc $2d=v\,\Delta t$, soit $d=\dfrac{v\,\Delta t}{2}$.

Remarque. La valeur ${340\,\mathrm{m}{\cdot}\mathrm{s}^{-1}}$ correspond à l’air à ${20{}^{\circ}\mathrm{C}}$ environ ; la vitesse du son y augmente légèrement avec la température. La lumière se propage près d’un million de fois plus vite : l’éclair est vu presque au moment où il se produit, le tonnerre arrive bien après.

3Signal sonore périodique : période et fréquence

Définition. Un microphone transforme le son en une tension $u$ que l’on visualise sur un oscillogramme. Le signal est périodique lorsqu’il se répète identique à lui-même ; le motif le plus court qui se répète a pour durée la période $T$ (en ${\mathrm{s}}$). La fréquence $f$ est le nombre de périodes par seconde, en hertz (${\mathrm{Hz}}$) :

Méthode — lire une période. repérer $n$ périodes complètes, mesurer la durée totale $\Delta t$ correspondante, puis calculer $T=\dfrac{\Delta t}{n}$ : c’est plus précis que sur une seule période. Convertir $T$ en secondes avant d’appliquer $f=1/T$.

4Hauteur, timbre et domaines de fréquence

Définition. La hauteur d’un son est liée à sa fréquence : plus $f$ est grande, plus le son est aigu ; plus $f$ est petite, plus le son est grave. Deux sons de même hauteur ont la même fréquence.

Définition. Le timbre permet de reconnaître l’instrument : il est lié à la forme du signal. Deux instruments qui jouent la même note donnent des oscillogrammes de même période mais de formes différentes.

5Intensité sonore et niveau d’intensité sonore

Définition. L’intensité sonore traduit l’énergie transportée par le son : elle dit si le son est fort ou faible. On lui associe le niveau d’intensité sonore $L$, exprimé en décibels (${\mathrm{dB}}$) et mesuré avec un sonomètre.

Propriété. L’échelle des décibels est très resserrée : ${0\,\mathrm{dB}}$ est le seuil d’audibilité, ${120\,\mathrm{dB}}$ le seuil de douleur. Doubler le nombre de sources identiques n’ajoute qu’environ ${3\,\mathrm{dB}}$ ; s’éloigner de la source fait diminuer le niveau. Repères : chuchotement ${30\,\mathrm{dB}}$, conversation ${65\,\mathrm{dB}}$, rue à fort trafic ${80\,\mathrm{dB}}$, concert amplifié ${110\,\mathrm{dB}}$.

Remarque — danger. Au-delà de ${85\,\mathrm{dB}}$, une exposition prolongée détériore l’audition de façon irréversible : réduire le volume, s’éloigner des enceintes, limiter la durée d’écoute, porter des protections auditives.

6Savoir-faire du chapitre

7Exemples types