Émission, propagation et perception d'un son

I. Émission et propagation d'un signal sonore

1. Mise en vibration et caisse de résonance

• L'émission d'un signal sonore (ou son) résulte de la mise en vibration d'un objet. Par exemple, lorsque l'on tire sur une corde de guitare acoustique et qu'on la relâche, la corde émet un son car elle entre en vibration.

• La caisse de la guitare permet d'amplifier le signal sonore émis, le rendant ainsi plus facilement audible. Elle joue le rôle de caisse de résonance. Une guitare électrique usuelle n'a pas de caisse de résonance ; si l'on tire et relâche une de ses cordes sans que la guitare soit branchée, le son émis par la corde est très peu intense et difficilement audible.

2. Support d'un signal sonore

• La corde de guitare vibre et communique cette vibration aux molécules d'air environnantes puis aux molécules d'air voisines, de proche en proche. C'est ainsi que se propage le signal sonore émis par la corde. On remarque qu'il est nécessaire d'avoir un milieu matériel (ici l'air) afin que le signal sonore puisse se propager. Dans le vide, un signal sonore ne se propage pas.

3. Vitesse de propagation d'un signal sonore

• Rappel :

  La vitesse de propagation $v$ d'un signal sonore est définie par :

  $\boxed{v = \dfrac{d}{\Delta t}}$

  où $d$ est la distance parcourue par le signal pendant la durée $\Delta t$.

• Exemples :

  $\circ\quad$ La vitesse de propagation d'un signal sonore dans l'air à une température de $20^oC$ vaut environ $340~m/s$.

  $\circ\quad$ Dans l'eau, un signal sonore se propage à environ $1500~m/s$.

• Propriété :

  La vitesse de propagation d'un signal sonore est dépendante du milieu matériel. Celle-ci est d'autant plus grande que le milieu est dense.

• Remarque :

  La vitesse de propagation d'un son dans l'air est beaucoup plus petite que la vitesse de la lumière dans l'air. C'est pour cette raison qu'il arrive parfois, lors d'un orage, qu'on entende le son du tonnerre seulement quelques secondes après qu'on ait vu un éclair, la lumière parcourant plus vite la distance nous séparant de l'éclair que le son émis par ce dernier.

II. Signal sonore périodique

• À l'aide d'un dispositif d'acquisition, constitué entre autres de capteurs, on peut "voir" un signal sonore (voir §IV de cette fiche). L'image ci-dessous montre un signal sonore sous la forme d'une tension électrique ($U$, en ordonnée) proportionnelle à l'intensité du signal sonore en fonction du temps ($t$, en abscisse). C'est la représentation temporelle du signal sonore en quelque sorte.

• Si le signal se répète, on dit qu'il est périodique. Sur l'image ci-dessus, on peut voir qu'un motif de base se répète à l'identique. La durée de ce motif de base est appelée période du signal sonore.

• Définition :

  La période $T$ d'un signal sonore périodique est le plus petit intervalle de temps au bout duquel le signal sonore se reproduit à l'identique. La période s'exprime en secondes.

• Définition :

  La fréquence $f$ donne le nombre de motifs par seconde, ou encore le nombre de périodes par seconde. C'est l'inverse de la période $T$, on a donc :

  $\boxed{f = \dfrac{1}{T}}$

  La fréquence s'exprime en hertz ($Hz$).

III. Perception du son

• L'homme ne peut pas entendre tous les sons, l'ouïe humaine n'est sensible qu'aux sons dont la fréquence est entre $20~Hz$ et $20~kHz$.

• Les ondes sonores dont la fréquence est inférieure à $20~Hz$ sont appelées infrasons. Par exemple, les baleines émettent des infrasons pour communiquer à grande distance.

• Les ondes sonores dont la fréquence est supérieure à $20~kHz$ sont appelées ultrasons. Par exemple, les chauve-souris émettent des ultrasons afin de pouvoir se repérer dans l'espace.

1. Hauteur, timbre et intensité d'un signal sonore

• Lorsqu'on écoute un son joué par un instrument de musique, on peut lui associer certaines caractéristiques comme :

  $\circ\quad$ Le son est grave ou aigu ;

  $\circ\quad$ Le son provient d'une flûte ou d'une guitare (ou encore d'un autre instrument) ;

  $\circ\quad$ Le son est fort ou faible.

• Le fait qu'un son soit perçu comme étant grave ou aigu est lié à sa hauteur : la hauteur d'un son est la fréquence du signal sonore associé. L'image ci-dessous montre les enregistrements des notes La3 et Si3 jouées par une guitare :

  

  $\circ\quad$ Chacune des deux courbes est un extrait de l'enregistrement d'une durée de 7 périodes. On remarque que la période du Si3 est inférieure à celle du La3 :

  $7 \cdot T_{\mathrm{Si3}} < 7 \cdot T_{\mathrm{La3}}$

  $\Rightarrow T_{\mathrm{Si3}} < T_{\mathrm{La3}}$

  $\circ\quad$ On en déduit que la fréquence du Si3 est plus élevée que celle du La3 :

  $T_{\mathrm{Si3}} < T_{\mathrm{La3}}$

  $\Leftrightarrow \dfrac{1}{f_{\mathrm{Si3}}} < \dfrac{1}{f_{\mathrm{La3}}}$

  $\Leftrightarrow f_{\mathrm{Si3}} > f_{\mathrm{La3}}$

  $\circ\quad$ Ce qui est bien le cas puisque $f_{\mathrm{Si3}} = 494 \mathrm{Hz}$ et $f_{\mathrm{La3}} = 440 \mathrm{Hz}$. Plus la fréquence d'un signal sonore est élevée, plus le son sera perçu comme étant aigu. À l'inverse, plus la fréquence d'un signal sonore est faible, plus le son sera perçu comme étant grave. C'est ainsi qu'on différencie les notes de musique. Le Si3 est ainsi une note plus aiguë que le La3, ou, autrement dit, le La3 est une note plus grave que le Si3.

• Deux sons de même hauteur (et donc de même fréquence) peuvent être perçus différemment. Si un piano et une guitare jouent un La3, on sera capable de dire quel instrument a joué quel son. Cette différence que l'on perçoit est due au timbre du son, associé à la forme du signal sonore. L'image ci-dessous montre les enregistrements de la note La3 jouée par une guitare et par un piano :

  

  $\circ\quad$ On remarque que ces signaux ont la même période et donc la même fréquence ($f_{\mathrm{La3}} = 440 \mathrm{Hz}$), mais ne sont pas tout à fait identiques.

• Enfin, un son donné peut être perçu comme étant fort ou étant faible. Cet aspect du son, que l'on nomme intensité sonore, est lié à l'amplitude du signal sonore. Plus l'amplitude du signal est grande, plus l'intensité sonore est élevée et plus le son sera perçu comme étant fort. L'intensité sonore est notée $I$ et s'exprime en $W/m^2$.

  L'exemple ci-dessous montre les représentations temporelles de deux signaux sonores d'amplitudes respectives $A_1$ et $A_2$. Comme $A_1 > A_2$, le premier signal sonore a une intensité sonore plus élevée que le second.

2. Niveau d'intensité sonore et dangers

• Définition :

  Le niveau d'intensité sonore, noté $L$, permet de caractériser le niveau d'intensité sonore d'un son et ainsi, de comparer l'intensité sonore de deux sons. Il s'exprime en décibels ($dB$).

• Sont représentés sur le diagramme suivant les niveaux d'intensité sonore de sons que l'on rencontre quotidiennement :

  

  $\circ\quad$ Il existe un seuil d'audibilité correspondant environ à $0~dB$, en dessous duquel on ne peut pas entendre de son.

  $\circ\quad$ À partir de $80~dB$, il existe des risques de troubles auditifs si l'oreille est exposée à de tels sons de manière prolongée, c'est le seuil de danger.

  $\circ\quad$ À partir de $120~dB$, correspondant au seuil de douleur, il existe des risques graves pour la santé, même en cas de brève exposition à de tels sons. Il y a notamment des risques de perte d'audition irréversible.

• On retiendra donc que l'exposition à des sons peut comporter des risques pour la santé humaine, comme une perte d'audition temporaire ou prolongée (voire irréversible). Ces risques sont d'autant plus grands que l'intensité sonore (ou le niveau d'intensité sonore) et le temps d'exposition sont élevés.

IV. Acquisition d'un son

1. Notions de capteur et d'acquisition d'une grandeur physique

Pour plus d'information sur les capteurs et les systèmes d'acquisition et de traitement d'un signal électrique, il est recommandé de se référer à la fiche suivante :

Signaux et circuits électriques complexes : les capteurs

2. Conversion d'un signal sonore en signal électrique

• Lorsqu'un signal sonore périodique est capté par un microphone, il est converti en un signal (ou une tension) électrique périodique ayant la même période et donc la même fréquence que le signal sonore perçu.

• On peut par exemple visualiser ce signal électrique périodique sur l'écran d'un oscilloscope ou d'un ordinateur à l'aide d'un système d'acquisition.

• Définition :

  L'amplitude "crête à crête" du signal électrique est l'écart entre la valeur maximale de la tension électrique et sa valeur minimale.

• Remarques :

  $\circ\quad$ Elle s'exprime dans l'unité lue sur l'oscilloscope ou sur l'ordinateur servant à l'acquisition, c'est-à-dire en volts ($V$), millivolts ($mV$) ou microvolts ($\mu V$) ;

  $\circ\quad$ Si un signal électrique prend alternativement des valeurs positives et négatives, on parle d'une tension alternative ;

  $\circ\quad$ Si le microphone (= capteur) est utilisé normalement, l'amplitude du signal électrique qu'il fournit est proportionnelle à l'amplitude du signal sonore qu'il reçoit.

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