Caractéristiques d'un son
Émission et perception d'un son
Caractéristiques d'un son
Introduction
Tous les sons ne se ressemblent pas : certains sont aigus, d'autres graves ; certains sont forts, d'autres faibles ; on reconnaît un piano d'une guitare même s'ils jouent la même note. Comment caractériser un son d'un point de vue physique ? Cette leçon présente les grandeurs qui permettent de décrire et différencier les sons.
Fréquence et période
La période $T$
La période d'un son est la durée d'un motif élémentaire qui se répète. Elle est notée $T$ et s'exprime en secondes (s).
Sur un oscillogramme (graphe de la tension du microphone en fonction du temps), la période correspond à la durée entre deux motifs identiques consécutifs.
La fréquence $f$
La fréquence est le nombre de vibrations par seconde. Elle est notée $f$ et s'exprime en hertz (Hz).
La fréquence et la période sont liées par la relation :
$$f = \frac{1}{T}$$
avec :
- $f$ : fréquence (en Hz)
- $T$ : période (en s)
Exemples :
- Un son de période $T = 0,002$ s a une fréquence $f = \frac{1}{0,002} = 500$ Hz.
- Le La3 du diapason a une fréquence de 440 Hz, soit une période de $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$0 s.
Lecture de la période sur un oscillogramme
Pour mesurer la période sur un oscillogramme :
- Repérer un motif élémentaire (une forme qui se répète).
- Mesurer la durée de ce motif sur l'axe horizontal.
- Si la base de temps est $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$1 (en ms/div ou s/div), alors : $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$2, où $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$3 est le nombre de divisions pour un motif.
Domaine audible
L'oreille humaine
L'oreille humaine peut percevoir les sons dont la fréquence est comprise entre 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz). C'est le domaine audible :
$$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$
Au-delà du domaine audible
| Domaine | Fréquence | Exemples |
|---|---|---|
| Infrasons | $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$4 Hz | Séismes, éléphants, éoliennes |
| Sons audibles | $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$5 Hz $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$6 Hz | Voix humaine, musique, bruits du quotidien |
| Ultrasons | $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$7 Hz | Échographie médicale, sonar des chauves-souris, nettoyage par ultrasons |
Remarque : la sensibilité de l'oreille diminue avec l'âge, surtout pour les hautes fréquences. Un adolescent entend généralement des sons plus aigus qu'un adulte.
Applications des ultrasons
- Échographie : les ultrasons sont envoyés dans le corps et réfléchis par les organes. Le temps de retour permet de localiser les structures internes.
- Sonar : les sous-marins émettent des ultrasons et analysent l'écho pour détecter des obstacles.
- Nettoyage : les vibrations ultrasonores permettent de décoller les impuretés dans des bains de nettoyage.
Hauteur d'un son
Définition
La hauteur d'un son est la sensation auditive liée à sa fréquence :
- Un son de haute fréquence est perçu comme aigu (ex : sifflement, flûte piccolo).
- Un son de basse fréquence est perçu comme grave (ex : contrebasse, grondement de tonnerre).
Exemples de fréquences
| Instrument / Son | Fréquence approximative |
|---|---|
| Contrebasse (note la plus grave) | ≈ 41 Hz |
| Voix masculine (conversation) | 100 – 200 Hz |
| Voix féminine (conversation) | 200 – 400 Hz |
| La3 (diapason) | 440 Hz |
| Flûte piccolo (note aiguë) | ≈ 4 000 Hz |
| Sifflement humain | 1 000 – 4 000 Hz |
Règle : deux sons de même hauteur ont la même fréquence fondamentale $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$8.
Niveau sonore
L'intensité sonore
L'intensité sonore correspond à la puissance acoustique reçue par unité de surface. Plus la source vibre avec une grande amplitude, plus l'intensité sonore est élevée.
Le niveau sonore $$20 \text{ Hz} \leq f \leq 20\,000 \text{ Hz}$$9
Le niveau sonore, noté $T$0, permet de quantifier la "force" d'un son telle qu'elle est perçue. Il s'exprime en décibels (dB).
L'échelle des décibels est logarithmique : une augmentation de 10 dB correspond à une intensité sonore multipliée par 10 et une sensation sonore environ doublée.
Échelle de niveaux sonores
| Niveau sonore $T$1 (dB) | Exemple | Perception |
|---|---|---|
| 0 | Seuil d'audibilité | Silence |
| 20 | Chuchotement | Très faible |
| 40 | Bibliothèque | Faible |
| 60 | Conversation normale | Modéré |
| 80 | Rue à fort trafic | Fort |
| 85 | Seuil de danger (exposition prolongée) | Attention |
| 100 | Concert, discothèque | Très fort |
| 110 | Marteau-piqueur | Douloureux |
| 120 | Seuil de douleur | Limite |
| 130+ | Décollage d'avion à proximité | Risque de lésion immédiate |
Important : au-delà de 85 dB, une exposition prolongée peut entraîner des lésions irréversibles de l'oreille interne.
Timbre d'un son
Définition
Le timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et de même niveau sonore, produits par des sources différentes.
Exemple : un La3 (440 Hz) joué au piano sonne différemment du même La3 joué à la guitare. Pourtant, ils ont la même fréquence fondamentale et peuvent avoir le même niveau sonore.
Le spectre en fréquences
Le timbre est lié au spectre du son, c'est-à-dire à l'ensemble des fréquences qui le composent :
- Fréquence fondamentale $T$2 : c'est la fréquence la plus basse, celle qui détermine la hauteur du son.
- Harmoniques : fréquences multiples de la fondamentale ($T$3, $T$4, etc.).
Chaque instrument produit des harmoniques d'amplitudes différentes, ce qui donne à chacun son timbre caractéristique.
Son pur vs son complexe
| Type de son | Spectre | Oscillogramme | Exemple |
|---|---|---|---|
| Son pur | Une seule fréquence | Sinusoïde parfaite | Diapason, signal d'un GBF |
| Son complexe | Fondamentale + harmoniques | Signal périodique non sinusoïdal | Voix, instruments de musique |
Remarque : un bruit n'est pas un son périodique ; son spectre est continu et irrégulier.
Risques auditifs et protection
Les risques
L'exposition à des niveaux sonores élevés peut provoquer :
- Fatigue auditive : sensation d'oreille "bouchée" après un concert, réversible avec du repos.
- Acouphènes : bourdonnements ou sifflements permanents dans l'oreille, souvent irréversibles.
- Surdité partielle ou totale : destruction des cellules ciliées de l'oreille interne, irréversible (ces cellules ne se régénèrent pas).
Deux facteurs de risque
- Le niveau sonore : plus il est élevé, plus le risque est grand.
- La durée d'exposition : même à un niveau modéré (85 dB), une exposition prolongée (plusieurs heures) est dangereuse.
| Niveau sonore | Durée maximale d'exposition recommandée |
|---|---|
| 85 dB | 8 heures |
| 88 dB | 4 heures |
| 91 dB | 2 heures |
| 100 dB | 15 minutes |
| 110 dB | Quelques secondes |
Comment se protéger ?
- Bouchons d'oreilles : atténuation de 20 à 35 dB, idéal pour les concerts.
- Casques anti-bruit : atténuation de 25 à 40 dB, utilisés dans l'industrie.
- S'éloigner de la source : le niveau sonore diminue quand on s'éloigne.
- Limiter la durée d'exposition : faire des pauses dans un environnement calme.
- Régler le volume du casque ou des écouteurs à un niveau raisonnable (règle : si on n'entend plus les bruits extérieurs, c'est trop fort).
Exercices d'application
Exercice 1
Un son a une période $T$5 s. Quelle est sa fréquence ? Est-il audible ?
Méthode : $T$6 Hz. Comme $T$7, ce son est audible.
Exercice 2
Un ultrason a une fréquence $T$8 Hz. Quelle est sa période ?
Méthode : $T$9 s = 25 µs.
Exercice 3
Un son est émis à un niveau de 95 dB lors d'un concert. Ce niveau est-il dangereux ? Quelle durée d'exposition maximale recommanderiez-vous ?
Réponse : Oui, 95 dB dépasse le seuil de danger de 85 dB. D'après le tableau, entre 91 dB (2 h) et 100 dB (15 min), on recommande une exposition inférieure à 1 heure environ.
L'essentiel
- La fréquence $T$0 (en Hz) est le nombre de vibrations par seconde ; la période $T$1 (en s) est la durée d'une vibration : $T$2.
- Le domaine audible de l'oreille humaine va de 20 Hz à 20 000 Hz.
- En dessous : infrasons ; au-dessus : ultrasons.
- La hauteur d'un son est liée à sa fréquence : aigu = haute fréquence, grave = basse fréquence.
- Le niveau sonore $T$3 (en dB) mesure la "force" d'un son. Au-delà de 85 dB, l'exposition prolongée est dangereuse.
- Le timbre distingue deux sons de même hauteur ; il dépend du spectre en fréquences (fondamentale + harmoniques).
- Les risques auditifs (acouphènes, surdité) sont irréversibles : il faut se protéger !