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Chapitre 3: Les ondes sonores

Propriétés des ondes sonores

Onde sonore

Une onde sonore est une onde mécanique longitudinale de compression-dilatation du milieu à trois dimensions.

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Spherical pressure waves.gif
Par Thierry Dugnolle — Travail personnel, CC0, Lien

L'oreille humaine moyenne perçoit des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz.

Ultrasound range diagram-fr

Niveau d'intensité sonore L L

Dans le cas des ondes sonores on définit le niveau d'intensité sonore L L en décibel en utilisant une échelle logarithmique.

L = 10 log ⁡ I I 0 L=10 \log{\frac{I}{I_0}}

Notations

  • L L  : intensité sonore en d B dB
  • I I  : intensité sonore mesurée en W ⋅ m − 2 W·m^{-2}
  • I 0 I_0 : intensité minimale perceptible par l'oreille : I 0 = 1 , 0 × 1 0 − 12 W ⋅ m − 2 I_0 = 1,0×10^{-12} W·m^{-2}

Sound levels.png
Par PolBr — Travail personnel, CC BY-SA 3.0, Lien

Utiliser une échelle logarithmique

  1. Calculer le niveau d'intensité sonore correspondant à:

    • une conversation normale : I = 1 × 1 0 − 7 W ⋅ m − 2 I = 1×10^{-7} W·m^{-2} .
    • une moto : I = 5 × 1 0 − 4 W ⋅ m − 2 I = 5×10^{-4} W·m^{-2} .
    • deux motos : I = 1 0 − 3 W ⋅ m − 2 I = 10^{-3} W·m^{-2} .
  2. Combien de motos faut-il pour atteindre un niveau d'intensité sonore de 100dB?

Caractéristiques d'un son

Au contraire d'un bruit, un son a un caractère périodique. Il est caractérisé par sa hauteur et son timbre.

Hauteur d'un son

Copie d'écran de l'animation d'une onde sonore

Hauteur d'un son

La hauteur d'un son caractérise le caractère grave ou aigu d'un son.

Un son est:

  • grave si sa fréquence est faible,
  • aigu si sa fréquence est élevée.

Timbre d'un son

Timbre d'un son

Le timbre désigne l'ensemble des caractéristiques sonores qui distinguent des instruments.

Voici des exemples d'instruments jouant tous un son de même hauteur, un La :

  • guitare acoustique
  • guitare électrique avec distorsion
  • orgue
  • orgue rock

Les sons sont issus de MuseScore 2 sous licence libre MIT

Analyse spectrale

L'analyse spectrale d'un son permet de déterminer l'amplitude des diverses vibrations sinusoïdales présentes dans un son.

Copie d'écran de la simulation du repaire des sciences

On peut distinguer deux types de sons:

  • les sons purs qui sont constitués d'une seule fréquence. Leur représentation temporelle est une sinusoïde.

Copie d'écran de la simulation du repaire des sciences d'un son pur

  • les sons complexes qui peuvent être décomposés en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquence fn.

Copie d'écran de la simulation du repaire des sciences d'un son complexe avec des harmoniques impaires

Fondamentale

La fréquence la plus basse f1 est appelée fréquence fondamentale, elle est liée à la hauteur du son.

Harmoniques

Les autres fréquences fn multiples de f1 sont appelées des harmoniques, leurs amplitudes sont caractéristiques du timbre de l'instrument.

f n = n f 1 f_{n}=n f_{1}

Notations

  • f n f_{n} : fréquence de l'harmonique n en Hertz(Hz)
  • n n : entier non nul
  • f 1 f_{1} : fréquence fondamentale en Hertz(Hz)
Spectrogramme

En réalité, le spectre d'un son varie au cours du temps, on découpe souvent l'analyse du son en 3 phases:

  • l'attaque
  • le maintien
  • la chute

Académie de Dijon

Voici un petite expérimentation en ligne présentant divers spectrogrammes. Animation spectrogramme google experiment