Propagation des ondes sonores : acoustique

I. Rappels

Cette fiche est la suite du cours sur les ondes mécaniques (puisque l'onde sonore en fait partie !) :

Les ondes mécaniques

1. Propagation des ondes sonores

$\bullet\quad$Une onde sonore est une onde mécanique qui nécessite un milieu matériel pour se propager.

$\bullet\quad$Les ondes sonores ne peuvent donc pas se propager dans le vide.

2. Grandeurs physiques associées aux ondes sonores

$\bullet\quad$Plusieurs grandeurs physiques permettent de décrire une onde sonore :

$\quad\circ\quad$ Célérité : vitesse de propagation de l'onde sonore dans un milieu donné (en $m/s$) :

$\quad \quad\Longrightarrow$ Dans l'air, $v =340~m/s$ à $20^oC$ ;

$\quad \quad\Longrightarrow$ Dans l'eau, $v = 1{,}50 \cdot 10^{3}$ $m.s^{-1}$ ;

$\quad \quad\Longrightarrow$ Dans le cuivre, $v = 5{,}01 \cdot 10^{3}$ $m.s^{-1}$ ;

$\quad \quad\Longrightarrow$ Dans le fer, $v = 5{,}95 \cdot 10^{3}$ $m.s^{-1}$.

$\quad\circ\quad$ Période : durée d'un cycle complet de l'onde (en $s$) ;

$\quad\circ\quad$ Amplitude : hauteur maximale de l'onde, liée à l'intensité du son ;

$\quad\circ\quad$ Fréquence : Nombre de cycles par seconde (en $Hz$).

$\quad\circ\quad$ Longueur d'onde : distance parcourue par l'onde pendant une période (en $m$).

3. Phénomène de réflexion

$\bullet\quad$La réflexion des ondes sonores se produit lorsqu'une onde sonore rencontre une surface et est renvoyée. La loi de la réflexion (2^e loi de Snell-Descartes) stipule que l'angle d'incidence est égal à l'angle de réflexion.

$\bullet\quad$Exemple : la réflexion des ondes sonores est utilisée dans de nombreuses applications, comme les systèmes d'écholocation et les salles de concert pour améliorer l'acoustique.

4. Perception sensorielle d'un son

$\bullet\quad$Deux grandeurs influencent principalement la perception sensorielle d'un son :

$\quad\circ\quad$ Amplitude : elle influence la perception de la hauteur ou du volume du son.

$\quad\circ\quad$ Fréquence : elle détermine le nombre de vibrations par seconde et est mesurée en hertz.

$\bullet\quad$Trois gammes de fréquences sont associées à la perception d'un son :

$\quad\circ\quad$ Sons audibles : les sons audibles par l'oreille humaine ont des fréquences comprises entre $20~\text{Hz}$ et $20~000~\text{Hz}$. Ces sons sont ceux que nous entendons dans notre vie quotidienne, comme la musique, les conversations ou encore les bruits de la nature.

$\quad\circ\quad$ Infrasons : les infrasons sont des signaux sonores dont la fréquence est inférieure à $20~\text{Hz}$. Bien que non audibles par l'oreille humaine, ils peuvent être perçus par certains animaux, comme les éléphants, qui les utilisent pour communiquer sur de longues distances.

$\quad\circ\quad$ Ultrasons : les ultrasons sont des signaux sonores dont la fréquence est supérieure à $20~000~\text{Hz}$. Ils sont utilisés dans divers domaines, comme la médecine pour les échographies, et dans la technologie pour les capteurs de distance et les systèmes de navigation des chauves-souris.

II. Définitions

1. Acoustique

L'acoustique est le domaine de la physique traitant des ondes sonores et de leur propagation.

2. Propagation en champ libre

$\bullet\quad$Une onde sonore se propage en champ libre si elle ne rencontre aucun obstacle de nature à modifier ses effets.

$\bullet\quad$C'est le cas du son d'un haut-parleur s'il se propage dans l'air dans toutes les directions.

$\bullet\quad$En revanche, dans une maison, le son ne se propage pas en champ libre du fait des murs ou du sol.

III. Intensité sonore

$\bullet\quad$Une onde sonore est une onde mécanique : elle est due à une perturbation de la pression de l'air, provoquée par une source et se propageant de proche en proche.

$\bullet\quad$Comme toute onde mécanique, elle transporte une certaine énergie, ce qui permet de la caractériser par une intensité sonore :

$\quad\circ\quad$ L'intensité sonore est la puissance surfacique (= par unité de surface) transportée par une onde sonore :

$\boxed{I = \dfrac{P}{S}}$

avec :

$\quad\circ\quad$ $I$ : intensité sonore (en $W/m^2$) ;

$\quad\circ\quad$ $P$ : puissance transportée par l'onde sonore (en $W$) ;

$\quad\circ\quad$ $S$ : surface sur laquelle se répartit le son (en $m^2$).

$\bullet\quad$Exemple : si une source sonore émet une puissance acoustique de $1~W$ et que cette puissance est répartie uniformément sur une surface de $10~m^2$, l'intensité acoustique sera de $0,1~W/m^2$.

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ Lorsqu'il y a plusieurs sources les intensités sonores s'ajoutent : dix violonistes produisent une intensité sonore dix fois plus élevée qu'un seul.

$\quad\circ\quad$ L'intensité acoustique est liée à l'amplitude de l'onde sonore : plus l'amplitude est grande, plus l'intensité acoustique est élevée.

$\quad\circ\quad$ La puissance acoustique $P$ est tout simplement la puissance délivrée par la source (un haut-parleur par exemple).

IV. Niveau sonore

$\bullet\quad$La notion d'intensité sonore a certains inconvénients :

$\quad\circ\quad$ La perception du volume sonore n'est pas proportionnelle à l'intensité ;

$\quad\circ\quad$ L'intensité sonore a une valeur qui peut s'étaler sur plus de $10$ ordres de grandeur !

$\bullet\quad$Les physiciens définissent donc une autre quantité plus pratique et significative, appelée le niveau d'intensité sonore : souvent exprimé en décibels (dB), est une échelle logarithmique qui permet de décrire des intensités sonores très variées.

$\bullet\quad$Exemple : un chuchotement a une intensité acoustique d'environ $20$ dB, tandis qu'un concert rock peut atteindre $120$ dB.

$\bullet\quad$Règle utile :

$\quad\circ\quad$ À chaque fois qu'on double l'intensité sonore, le niveau sonore augmente de $3$ dB.

$\quad\circ\quad$ À chaque fois qu'on divise l'intensité par $2$, le niveau sonore diminue de $3$ dB.

V. Échelle des bruits

$\bullet\quad$L'échelle des bruits est un graphique qui situe les différents niveaux de bruits et permet de distinguer les valeurs d'intensité et de niveau sonore :

$\bullet\quad$Remarques :

$\quad\circ\quad$ On remarque que les valeurs du niveau sonore (entre $0$ et $130~dB$ pour les bruits usuels) sont effectivement plus faciles à manipuler.

$\quad\circ\quad$ $\textcolor{purple}{\text{ATTENTION !}}$ Lorsqu'un son double d'intensité, son niveau sonore ne double pas mais augmente de $3~dB$ (voir plus haut) !

VI. Volume sonore

$\bullet\quad$Le volume sonore perçu par les être humains est une notion subjective : il dépend du sujet (en particulier de son âge) mais aussi de la fréquence des sons. Les audiogrammes sont utilisés en médecine pour évaluer la capacité auditive des patients.

$\bullet\quad$L'intensité ou le niveau sonore définis par les physiciens ne permettent donc pas de caractériser simplement ce phénomène complexe qu'est la perception des sons.

$\bullet\quad$Ainsi, l'homme entend très bien les fréquences sonores comprises entre $400$ et $4~000~ Hz$, mais beaucoup plus difficilement les sons très graves ($f \lt 100~Hz$) : pour un même niveau sonore ($60~dB$ par exemple) un son très grave paraîtra très faible par rapport à un son "moyen" ($f \approx 1~kHz$).

$\bullet\quad$D'autre part, un doublement de l'intensité sonore $I$ (au sens physique) ne correspond pas au doublement du volume sonore perçu : pour avoir l'impression qu'un son est deux fois plus fort il faut multiplier l'intensité sonore par $10$ (c'est-à-dire augmenter le niveau sonore de $10~dB$).

VII. Les risques auditifs : exposition, prévention et protection

$\textcolor{red}{\text{ATTENTION}}$ : le présent paragraphe n'est valable que pour la classe de $\textcolor{red}{\text{première STI2D}}$.

1. Situations d'exposition au risque auditif

$\bullet\quad$Plusieurs situations peuvent exposer une personne à un risque auditif :

$\quad\circ\quad$ Écoute prolongée de musique à un volume élevé, notamment avec des écouteurs ou en concert ;

$\quad\circ\quad$ Travail dans un environnement bruyant, comme les chantiers de construction ou les usines ;

$\quad\circ\quad$ Utilisation d'outils ou de machines bruyantes sans protection auditive adéquate ;

$\quad\circ\quad$ Exposition à des bruits impulsifs, comme les détonations ou les pétarades.

$\bullet\quad$Exemple : les travailleurs dans les usines doivent porter des protections auditives pour éviter les dommages à long terme.

2. Prévention et protection contre les risques auditifs

$\bullet\quad$Plusieurs mesures peuvent être prises pour prévenir les risques auditifs :

$\quad\circ\quad$ Limiter la durée d'exposition à des niveaux sonores élevés ;

$\quad\circ\quad$ Utiliser des protections auditives, comme des bouchons d'oreille ou des casques antibruit, dans des environnements bruyants ;

$\quad\circ\quad$ Régler le volume des appareils audio à un niveau sûr ;

$\quad\circ\quad$ Éviter les environnements excessivement bruyants lorsque cela est possible ;

$\quad\circ\quad$ Sensibiliser et éduquer sur les risques liés à une exposition prolongée à des niveaux sonores élevés.

$\bullet\quad$Exemple : dans les milieux industriels, des programmes de protection auditive et des contrôles réguliers de l'audition sont mis en place pour protéger les travailleurs.

_{= Merci à krinn pour avoir essentiellement contribué à l'élaboration de cette fiche =}