II- Production d`un son

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ACOUSTIQUE
I-
Nature du son
Le son, ou onde sonore, est une oscillation mécanique longitudinale de pression qui se
propage dans un milieu élastique et qui transfère de l'énergie sans déplacement
délocalisé de matière.
Analogie avec une onde de compression dans un ressort
- La compression se propage dans le sens longitudinal.
- Les spires après le passage de l'ébranlement reprennent
compression à t0
leur position initiale : le milieu est élastique.
II- Production d'un son
compression à t1 > t0
Générer un son consiste à ébranler le milieu de propagation.
La mise en mouvement localisé s'accompagne d'une transmission d'énergie que le milieu propagera.
Une source sonore agit toujours mécaniquement.
Les types de sources sonores dépendent du mode d'excitation ; l'impression sonore est différente.
1- Source impulsionnelle
L'excitation est de courte durée et l'amplitude de l'émission s'amortit plus ou moins rapidement.
Exemples : chocs ; bang! ; les percussions : batterie, tam-tam,… ;
les instruments à cordes frappées ou pincées (piano, guitare, clavecin,…)
2- Source harmonique entretenue
Elle produit une émission continue de durée et d'amplitude réglables. L'émission alternative dure autant que
l'excitation reçoit de l'énergie.
Exemples :
instruments à vents
instruments à cordes frottées
haut-parleurs des enceintes acoustiques
3- Source aléatoire
Une source aléatoire est à l'origine d'une émission désordonnée dont l'amplitude et la durée sont imprévisibles :
l'émission suit les lois du hasard. Le son produit est un bruit.
Exemples :
vagues, vent dans les voiles,…
III- Caractéristiques d'un son
Ses caractéristiques dépendent essentiellement de celle de la source qui l'a émis.
1- Fréquence ou hauteur d'un son
Si la source est un oscillateur harmonique, le son généré est un phénomène périodique qui possède une
fréquence propre :
f=.
Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu.
Le spectre audible par les humains : 0 Hz infrasons (inaudibles)
[20 Hz - graves - 300 Hz - médium - 6 kHz - aiguës - 20 kHz] ultrasons (inaudibles)
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Les acousticiens physiologistes (étude des sensations auditive produites sur l'oreille interne et transmises au
cerveau) emploi le mot hauteur pour qualifier l'impression auditive provoquer par la fréquence d'un son.
L'octave correspond au doublement de la fréquence d'une note (même impression auditive).
Le La naturel, noté La3, est fixé arbitrairement à 440 Hz. Le La4 a une fréquence de 880 Hz.
L'octave est partagé en douze demi-tons répartis dans la gamme tempérée en progression géométrique de raison
Exemple : fLa33# = fLa3 
12
2
12
2
fLa33#  466 Hz
Notation latine
Notation anglo-saxonne
Do, Do# Réb, Ré, Ré#  Mib, Mi, Fa, Fa# Solb, Sol,, Sol# Lab, La, La# Sib, Si, Do
2- Intensité d'un son
L'intensité I d'un son caractérise l'amplitude d'une onde sonore.
I=
Pe : puissance sonore émise ou puissance utile de la source (W)
S : aire de répartition de l'énergie (m2)
L'intensité sonore s'exprime en W/m 2.
L'intensité sonore est proportionnelle au carré de l'amplitude des variations de pression transmises I = k p2
3- Niveau d'intensité acoustique
Les physiologistes préfèrent cette grandeur liée à la faculté d'audition et au volume sonore perceptible.
Les physiologistes Weber et Fechner établirent qu'approximativement
notre système auditif éprouve une sensation deux fois plus importante
pour une intensité sonore décuplée.
L'oreille possède une courbe de réponse qui suit une loi de
progression logarithmique.
Le niveau d'intensité acoustique N, exprimé en décibel de symbole
dB, a pour expression :
N = 10 log
N = 20 log
avec I0 : intensité de référence de seuil d'audition à 1000 Hz
I0 = 10 – 12 W/m 2
p0 : variation de pression acoustique de référence
p0 = 2.10 – 5 Pa
Le niveau sonore se mesure avec un sonomètre.
Threshold : seuil
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Pain : douleur
Harmful : nocif, dommageable
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4- Le timbre ou taux d'harmoniques
Le timbre affecte la forme de l'onde et modifie la sensation auditive perçue.
L'enregistrement de la forme d'un son est un sonogramme.
Le son pur ou fondamental est une fonction d'onde sinusoïdale. L'impression auditive est pauvre, monotone ou
plate.
Le son réel a une forme beaucoup plus complexe. La sensation est plus riche, plus colorée ou texturée; c'est
grâce à son timbre que l'on reconnaît une voix ou un instrument de musique.
Ce son complexe, mais périodique, peut être décomposé en une
somme de fonctions sinusoïdales d'après les travaux de
Joseph Fourier (1768,1830).
Si l'onde de fréquence fondamentale est f0, les ondes dites
harmoniques sont des multiples entiers de la fondamentale
soit : 2 f0, 3 f0,, 4 f0,…
IV- Propagation d'un son
Le son nécessite un milieu matériel pour se propager. Le son ne se propage pas dans le vide.
(expérience du réveil sous la cloche à vide).
Célérité
On appelle célérité d’une onde sonore, la vitesse à laquelle cette onde sonore se propage.
La célérité de l’onde sonore est notée c et s’exprime en mètres par seconde.
La célérité de l’onde sonore dépend :
- de la nature du milieu (corps pur, mélange, solution,…)
- de son état (gazeux,…)
- de la température et de la pression
Milieu
célérité (m/s)
Milieu
célérité (m/s)
Milieu
célérité (m/s)
air (0°C)
332
eau (15°C)
1 440
plomb
2 000
air (20°C)
340
eau mer (20°C)
1 520
acier
5 100
hélium
965
brique
3 700
aluminium
6 420
dihydrogène
280
sapin
5 000
nylon
2 620
verre
5 500
polyéthylène
1 950
Longueur d’onde
Durant le temps correspondant à une période, l’onde parcourt une distance 
=cT
=
ou encore
( : lambda)
On voit apparaître une double périodicité de l’onde :
Périodicité temporelle car deux points séparés temporellement d’une durée T seront en phase.
Périodicité spatiale car deux points séparés spatialement d’une distance  seront également en phase.
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Le son suit les lois de propagation des ondes :
- propagation en ligne droite dans les milieux homogènes ;
- réflexion produisant le phénomène d'écho par retour vers la source ;
- réfraction et absorption lors des changements de milieu ;
- résonance et amplification par les cavités accordées (résonateur de Helmholtz).
VI- Réception
Nos organes récepteurs du son sont les oreilles.
On peut grossièrement résumer leur
fonctionnement de la façon suivante :
l’oreille externe
)
Le pavillon recueille le signal auditif et le guide
dans le conduit auditif comme le ferait un
réflecteur, tout en favorisant les fréquences
élevées (5 kHz).
Les dimensions et les parois du conduit en font un
résonateur pour les fréquences voisines de 2 kHz
qui sont justement les fréquences vocales.
Le tympan vibre et transmet le mouvement aux organes qui constituent l’oreille moyenne.
l’oreille moyenne : adaptation d’impédance et protection contre les bruits trop forts. Le signal arrive alors dans
l’oreille interne.
l’oreille interne : le milieu liquidien où la cochlée transforme le signal en impulsions électriques et chimiques
conduites par le nerf auditif, aux zones du cerveau concernées.
Diagramme de Fletcher et Munsen
L'ensemble de courbes du diagramme de Fletcher et
Munsen représente les courbes d'égale sensation sonore
d'une oreille humaine normale en fonction de la fréquence.
La zone d'audition normale est comprise entre la limite de
la douleur (vers 120 décibels) et le seuil d'audition (0dB à
1000Hz). Elle est en outre limitée vers 30 Hz pour les
fréquences basses et vers 15000 Hz pour les fréquences
hautes.
Ce diagramme est une moyenne. Ce diagramme montre
que la sensibilité de d'oreille est maximale entre 1000 et 5000Hz.
Les limites évoluent d'un sujet à l'autre et pour un même individu en fonction de l'âge ou des maladies.
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ACOUSTIQUE : EXERCICES
1. Distinguer la hauteur des sons.
Corde de guitare : 110 Hz
Sifflet d’arbitre : 2 800 Hz
Chauve-souris : 120 kHz
2. Calculer la durée de propagation d’un son sur une distance de 1 km.
21. dans l’air à 20 °C (c = 340 m/s)
22. dans un rail d’acier (c = 5 500 m/s)
23. dans l’eau d’un lac (c = 1 500 m/s)
3. Calculer les longueurs d’onde dans l’air à 20 °C.
31. d’un son grave de fréquence 200 Hz.
32. d’un son médium de fréquence 800 Hz.
33. d’un son aigu de fréquence 3 000 Hz.
34. d’un ultrason de fréquence 40 kHz.
4. L’écho d’une paroi rocheuse met 2,5 s pour parvenir à l’émetteur du cri.
A quelle distance de la paroi se trouve l’émetteur ?
5. Un sonar émet de brèves émissions répétitives d’ultrasons de fréquence 35 kHz dans une eau salée. La
célérité du son est quasiment constante avec la profondeur (c = 1520 m/s).
51. Déterminer la longueur d’onde des sons émis.
52. Calculer la durée de la propagation pour une profondeur de 600 m.
53. Déterminer la profondeur du banc de sardine (opaque à la propagation du son) si la durée de
transmission est de 90 ms.
6. Sur un chantier, quatre machines identiques émettent chacune, à la même distance, un son de 82 dB.
61. Déterminer le niveau d’intensité acoustique de deux machines fonctionnant ensemble.
62. Faire de même pour quatre machine. Que peut-on en déduire ?
7. L’intensité produite en un point A par un chanteur est de 10 – 5 W/m 2.
71. Quel est le niveau d’intensité acoustique en ce point A.
72. Quel est le niveau d’intensité acoustique pour 100 chanteurs, de même intensité acoustique,
chantant à l’unisson. Au point A.
8. Une source sonore de 15 W émet dans l'air un signal très bref. Calculer :
81. L'intensité sonore à 20 m.
82. Le niveau sonore en dB à la même distance.
83. La distance pour laquelle le niveau sonore n'est plus que de 50 dB.
9. Quels sont les sons audibles d’après le diagramme de Fletcher et Munson.
91. 1 000 Hz, 80 dB
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92. 6 Hz, 40 dB
93. 60 Hz, 100 dB
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94. 10 000 Hz, 10 dB
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Le diagramme de Fletcher et Munson
L'ensemble de courbes de la figure ci-dessous est appelée diagramme de Fletcher et Munson. Il représente les
courbes d'égale sensation sonore d'une oreille humaine normale en fonction de la fréquence.
La zone d'audition normale est comprise entre la limite de
la douleur (vers 120 décibels) et le seuil d'audition (0dB à
1000Hz). Elle est en outre limitée vers 30 Hz pour les
fréquences basses et vers 15000 Hz pour les fréquences
hautes.
Ce diagramme est une moyenne. Il montre que la
sensibilité de d'oreille est maximale entre 1000 et
5000Hz.
Les limites évoluent d'un sujet à l'autre et pour un même
individu en fonction de l'âge ou des maladies et
accidents.
L (dB)
f (Hz)
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SON, OREILLE ET DECIBEL
Le diagramme de Fletcher et Munsen
L'ensemble de courbes de la figure ci-dessous est appelée diagramme de Fletcher et Munsen. Il représente les
courbes d'égale sensation sonore d'une oreille humaine normale en fonction de la fréquence.
L (dB)
f (Hz)
Décibel et dBA
Courbes psophométriques
Pour compenser la sensibilité de l'oreille, certains appareils incorporent des filtres qui permettent de
mesurer en décibels une intensité sonore. Pour préciser comment la mesure a été effectuée on utilise
l'unité dBA, dBB et dBC. C'est le dBA qui est le plus utilisé.
Ph. Georges
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Solution exercice 8
a) I =
la surface atteinte par l'onde sonore est une sphère de rayon R.
I=
I = 3.10 – 3 W.m– 2
2 b) N = 10 log
N = 10 log
N  95 dB
I
c) Calcul de l'intensité I
3
S
50 = 10 log donc I = 10 – 7 W.m – 2
Calcul de la distance
S = avec S = 4  R2
soit
R=
Il faut se tenir à 3,5 km d'une source de 15 W pour avoir une sensation auditive de 50 dB.
Courbes psophométriques
Pour compenser la sensibilité de l'oreille, certains appareils incorporent des filtres qui permettent de mesurer en
décibels une intensité sonore. Pour préciser comment la mesure a été effectuée on utilise l'unité dB(A), dB(B),
dB(C) ou dB(D). C'est le dB(A) qui est le plus utilisé.
Ph. Georges
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