Les ondes sonores
Une onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique : elle nécessite donc un milieu matériel pour se propager.
A) La période et la fréquence
Si on enregistre un son à l’aide d’un microphone, il est possible de visualiser un signal électrique représentant le son.
La courbe ci-contre a été obtenue avec une vitesse de balayage VB (ou sensibilité horizontale Sh) = 1,0 ms/div.
Les signaux se reproduisent identiques à eux-mêmes au cours du temps : ils sont périodiques. Le signal de la figure est compliqué mais périodique, il représente un son complexe.
La durée la plus petite d’un « motif » qui se reproduit au cours du temps est la période T. La période s’exprime en seconde (s).
Pour déterminer la période T d’un signal sonore sur l’écran de l’oscilloscope, on procède comme pour les tensions sinusoïdales : on repère le nombre de divisions horizontales correspondant à une période et on multiplie ce nombre par la sensibilité horizontale Sh.
Exemple
Pour le son précédent : la période s’étend sur 2,5 divisions, donc la période vaut T = 2,5 × 1,0 = 2,5 ms = 2,5 × 10–3 s.
Remarque
Il faut exprimer la période en seconde pour pouvoir calculer la fréquence.
La fréquence f est l’inverse de la période T. La fréquence est le nombre de périodes par seconde :
Dans le cas d’un son, la fréquence est appelée « hauteur ». Elle influence la perception sensorielle.
Exemple
La fréquence du son précédent vaut f = soit f = = 4,0 × 102 Hz.
B) La gamme d’audition
L’oreille humaine peut entendre les fréquences comprises entre 20 et 20 kHz. Les infrasons ont des fréquences inférieures à 20 Hz et les ultrasons ont des fréquences supérieures à 20 kHz. Les infrasons et les ultrasons sont inaudibles par les êtres humains.
C) La célérité selon le milieu
a) Les milieux de propagation
La célérité est la vitesse de propagation de l’onde sonore. La célérité ne dépend pas de la fréquence mais du milieu de propagation.
La vitesse du son est d’autant plus importante que le milieu est dense.
La célérité du son est beaucoup plus faible que la célérité de la lumière dans l’air c = 3,0 × 108 m.s–1.
b) La détermination de la célérité des sons ou des ultrasons
On utilise un dispositif sonore ou ultrasonore qui émet des ondes sous forme de salves et 2 récepteurs décalés l’un par rapport à l’autre. Les 2 récepteurs sont connectés à un ordinateur ou un oscilloscope. Le récepteur 1, placé à une distance d de l’émetteur, donne le signal 1. Le récepteur 2, placé à une distance d de l’émetteur, donne le signal 2. Le signal envoyé par l’émetteur parvient plus tard au récepteur 2, qui est le plus éloigné, donc le signal 2 est décalé d’une durée ∆t par rapport au signal 1.
Pour déterminer la vitesse de propagation des ondes ultrasonores, on doit mesurer la durée ∆t à l’aide de l’écran de l’oscilloscope. La distance séparant les 2 récepteurs est égale à la différence d′ – d.
On peut alors calculer la célérité des ondes sonores v = , les distances étant exprimées en mètre et la durée en seconde.
Exemple
On se réfère à la figure précédente. Le récepteur 1 est placé à une distance d = 0,15 m et le récepteur 2 est placé à une distance d’ = 1,30 m.
La vitesse de balayage est VB = 1,0 ms/div.
1. Déterminer la durée ∆t en utilisant l’écran de l’oscilloscope précédent.
2. Calculer alors la célérité des ondes ultrasonores.
Réponse :
1. Les 2 signaux sont séparés de 3,4 divisions à l’écran de l’oscilloscope, or la vitesse de balayage vaut VB = 1,0 ms/div, donc la durée ∆t = 3,4 × 1,0 = 3,4 ms = 3,4 × 10–3 s.
2. La célérité des ondes ultrasonores est égale au rapport v = , avec d’– d = 1,30 – 0,15 = 1,15 m et ∆t = 3,4 × 10–3 s, soit v = 340 m.s–1.
On retrouve la célérité des ondes sonores : les sons et les ultrasons se propagent à la même vitesse.
La perception sensorielle
A) La pression acoustique
Le son correspond à une succession de compression et de dépression de l’air depuis l’émetteur jusqu’au récepteur.
La pression acoustique, exprimée en pascal (Pa), est la variation de pression moyenne par rapport à la pression à l’équilibre (pression atmosphérique). Elle est mesurée au niveau d’un récepteur lors de l’émission d’un son, par une source dans un milieu conducteur sonore.
La plus petite pression à laquelle l’oreille humaine est sensible est appelée « pression de référence ». Elle vaut : P0 = 2,0 × 10−5 Pa.
Le seuil de douleur est atteint pour une pression de l’ordre de 20 Pa. Ces valeurs dépendent des personnes et de la fréquence du son.
B) L’intensité et le niveau sonores
L’intensité sonore est mesurée en watts par mètre carré (W.m–2), l’intensité de référence est I0 = 10–12 W.m–2. C’est une grandeur influençant la perception sensorielle.
Le niveau sonore L (level en anglais) s’exprime en décibel (dB). C’est une échelle subjective, car elle ne prend pas en compte la sensibilité de l’oreille qui dépend de la fréquence. Le niveau sonore est défini par L = 10 log .
Lorsque l’intensité sonore est multipliée par 10, alors le niveau sonore augmente de 10 dB. Donc, lorsque l’on passe d’un niveau sonore de 50 dB à 70 dB, cela veut dire que l’intensité sonore a été multipliée par 100.
Le niveau sonore est aussi défini à partir de la pression acoustique : L = 20 log.
La valeur 0 dB correspond au seuil d’audibilité, c’est-à-dire la valeur la plus faible pouvant être perçue par une oreille humaine. Cette valeur a été définie en réalisant des expériences avec un son de fréquence 1 000 Hz. L’intensité sonore correspondante vaut 10–12 W.m–2.
Le seuil de douleur est de 130 dB. Cependant, l’oreille peut subir des traumatismes à partir de 80 dB. La législation sur le bruit au travail impose l’utilisation de protections auditives ou limite l’exposition à des niveaux sonores pendant des durées déterminées.
Exemples
Ordres de grandeur
130 dB : avion au décollage
105 dB : concert, discothèques
90 dB : tondeuse à gazon
80 dB : rue à fort trafic
70 dB : salle de classe bruyante
60 dB : conversation normale
50 dB : pluie
40 dB : bureau tranquille
30 dB : conversation à voix basse
10 dB : studio d’enregistrement
0 dB : laboratoire d’acoustique
C) Le risque auditif
Remarque
Cette partie concerne uniquement la filière STL.
La perception de l’oreille humaine augmente avec la fréquence pour être maximale vers 3 à 4 kHz. Elle diminue ensuite rapidement. Avec l’âge, les sons ayant une fréquence supérieure à 12 kHz sont moins bien perçus et deviennent parfois inaudibles.
On peut faire un bilan d’audition et obtenir un audiogramme qui permet de mesurer la capacité auditive d’une personne. Il est basé sur des sons purs à fréquences choisies et on mesure le seuil de l’audition pour ces différentes fréquences. Le patient dispose d’un casque sur la tête et on adresse à une oreille les différentes fréquences en augmentant le niveau sonore : lorsque le patient entend un son, il prévient le médecin. Les différents résultats sont placés sur un graphique et comparés au seuil normal d’audition pour les mêmes fréquences afin de déterminer le déficit auditif du patient.
L’audiogramme à gauche correspond à une personne entendant normalement alors que celui de droite est celui d’une personne présentant une déficience auditive. La couleur rouge correspond à l’oreille gauche et la courbe bleue à l’oreille droite.
Une personne s’expose à un risque auditif en écoutant de la musique à un niveau sonore élevé, en étant à côté d’engins bruyants sans protection.
Personne entendante
Personne avec une déficience auditive
La réflexion, la transmission et l'absorption des ondes sonores et ultrasonores
Lorsqu’une onde sonore ou ultrasonore rencontre une paroi constituée d’un matériau différent, une partie de l’énergie est transmise, une partie est absorbée par le matériau et le reste est réfléchi.
Certains matériaux absorbent fortement les sons en ayant des coefficients de valeur d’absorption proches de 1.
Dans les immeubles, il faut surtout limiter la transmission et avoir des coefficients de transmission faibles, inférieurs à 10–3.
