Chap 06

ACOUSTIQUE MUSICALE ET PHYSIQUE DES SONS
1. HAUTEUR D’UN SON ET FREQUENCE.
1.1. MESURE DE LA HAUTEUR D’UN SON.
La qualité qui donne la sensation qu’un son est plus grave ou plus aïgu est appelée hauteur du
son. La hauteur d’un son est mesurée par la fréquence du fondamental: son grave si cette
fréquence est faible, son aïgu si cette fréquence est élevée.
Rappelons que le son émis par un instrument n’est pas pur: il n’est pas associé à une vibration
sinusoïdale et comporte donc des harmoniques. On dit qu’il est complexe ou composé.
Cependant, les fréquences des harmoniques étant multiples de celle du fondamental, cette
dernière suffit à déterminer la hauteur du son considéré.
1.2. FREQUENCES AUDIBLES PAR L’OREILLE.
Vibration sonore
Fréquence f Vibration du tympan Fréquence f Vibration de la fenêtre ronde
Fréquence f
Vibration électrique
fréquence f Message au cerveau fréquence f
Osselets et liquides Cochlée Nerf auditif
Lorsqu’un haut-parleur est soumis à une tension périodique convenablement réglée, celui-ci produit un son. Sa membrane vibre, ce qui
entraîne une vibration de l’air, vibration qui se propage de proche en proche dans toutes les directions offertes par l’air sans transport
de matière.
Une onde sonore ou ultrasonore est une onde mécanique longitudinale de compression-dilatation à trois dimensions. Lors du passage
de la perturbation, chaque point du milieu vibre dans une direction parallèle à celle de la propagation de l’onde, créant une alternance
de zone de compression et de dilatation du milieu.
Dans ce chapitre on va se restreinte à l’étude des ondes sonores et à l’étude de trois propriétés qui permettent de les caractériser.
PAVILLON
CONDUIT
LES OSSELETS
transmettent à la fenêtre ovale les vibrations du
tympan, en les amplifiant trente fois.
Ce sont les trois plus petits os de notre organisme.
NERF AUDITIF
conduit le flux nerveux vers le
cerveau où le message est
interprété.
TYMPAN
FENETRE
MARTEAU ENCLUME
ETRIER
TYMPAN
vibre alors sous l’effet des variations de
pression dues aux ondes sonores.
COHLEE
organe en colimaçon qui contient un liquide
qui transmet les vibrations de la chaîne des
osselets aux cils des cellules auditives qui
tapissent le canal central de la cochlée.
Le déplacement de ces petits cils provoque
un influx nerveux.
FENETRE
OVALE
OREILLE EXTERNE OREILLE INTERNE
OREILLE

L’oreille humaine est un capteur très sensible aux vibrations. Pour autant, elle ne peut entendre un son, même suffisamment fort, que si
la fréquence de celui-ci est comprise entre deux valeurs délimitant le domaine des fréquences sons audibles: l’oreille humaine perçoit
les sons des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 kHz environ.
Les sons de fréquence inférieure à 20 Hz sont appelées infrasons;
Les sons de fréquence supérieure à 20 kHz sont appelées ultrasons.
A noter que ces fréquences dépendent des personnes (certaines oreilles sont «plus» entraînées que d’autres, certaines sont abîmées
suite à des expositions à des bruits intenses ...) mais aussi de la fréquence du son.
2. INTENSITE D’UN SON.
2.1. INTENSITE SONORE.
Nous savons déjà que les ondes sonores sont des ondes mécaniques. Elles transpor-
tent de l’énergie et c’est le transfert d’une partie de cette énergie à notre système
auditif qui est responsable de l’audition d’un son.
On note P la puissance de transfert de l’énergie qui traverse un récepteur de surface S.
On définit l’intensité sonore I par le quotient de la puissance P par la surface S:
P
I = S
Elle s’exprime en W.m-2 dans le système international.
2.2. NIVEAU SONORE.
La sensation perçue au niveau de l’oreille est différente selon l’intensité sonore et
peut être mesurée à l’aide d’une grandeur: le niveau sonore. Noté L (de l’anglais L:
level), il s’exprime en décibel (dB). Il se mesure à l’aide d’un sonomètre.
La question qui se pose: comment est reliée cette sensation auditive (et avec elle, le
niveau sonore d’un son) à l’intensité sonore transmise au système auditif par les ondes
mécaniques ?
Experience.
Disposer deux haut-parleurs reliés à un GBF à égale distance du sonomètre. Mesurer
le niveau sonore du premier haut-parleur, du second, puis des deux simultanèment.
Comparer le niveau sonore d’une source avec celui de deux sources identiques. Peut-
on dire que la réponse du sonomètre est proportionnelle au nombre de sources ?
Observation.
L’expérience précédente nous montre que la réponse de l’oreille n’est pas une
fonction linéaire de l’intensité sonore. On a constaté que deux sources identiques de
niveau sonore L1 chacune ne produisent pas ensemble un niveau sonore 2 L1, mais L1
+ 3 dB.
Conclusion.
On admettra en première approximation que les sensations physiologiques auditives correspondant à une intensité sonore I sont bien
représentées lorsque le niveau sonore est défini par I
L = 10 log avec I0 = 10-12 W.m-2.
I0
I0 est l’intensité de référence et correspond à l’intensité minimale audible pour l’oreille humaine à une fréquence de 1 000 Hz.

2.3. LES EFFETS DU BRUIT.
S’il existe un seuil en dessous duquel l’oreille n’est aps capable depercevoir un son,
à l’inverse, dès que le niveau sonore augmente, la sensation devient vite gênante
puis fatigante, voire dangereuse.
A ce niveau, la durée d’exposition joue un rôle sur les effets du bruit supporté: une
exposition trop longue à des sons de niveau sonore trop élevé peut entraîner des
lésions plus ou moins graves, voire irréversibles au niveau du système auditif.
I1
Dans ce cas, si une source sonore a pour intensité I1 et pour niveau sonore L1 = 10 log , en multipliant par deux l’intensité
sonore I1, le niveau sonore correspondant vaut: I0
2 I1I1
L2 = 10 log = 10 (log 2 + log ) = 10 log 2 + L1 = 3 dB + L1ce qui correspond à L2 = L1 + 3 dB
I0I0
A noter que sur certains sonomètres on trouve l’unité dBA. Cette dernière est dérivée du décibel auquel on a apporté une légère correc-
tion permettant de rendre compte de la sensibilité plus forte de l’oreille pour les sons aigus que pour els sons graves.
2.4. AMELIORER L’ACOUSTIQUE DANS L’HABITAT
Dans l’habitat, les bruits gênants se propagent dans l’air ou dans les planchers, les
cloisons, les tuyauteries.

La sonde envoie un faisceau d’ultrasons à travers le ventre de
la mère. Le balayage du faisceau est latéral pour obtenir une
image en 2D. Latéral et transversal pour une image volumique
en 3D.
3
1
2
1
2Les ultrasons émis se réfléchissent différemment selon les
tissus traversés. La sonde devient réceptrice et enregistre
l’écho renvoyé. La distance des points est calculé en fonction
du temps mis entre l’émission et la réception.
3Le logiciel de traitement de l’image assemble les points obtenus. Il en déduit une
image en coupe pour l’échographie en 2D et en volume pour la 3D. Les program-
mes les plus performants traitent l’information 3D quasimment en temps réel: c’est
la 4D.
Une application de la célérité des ondes ultrasonores : la vue en 3D

3. TIMBRE D’UN SON.
Les différents instruments composant un orchestre émettent des sons distincts, même s’ils jouent la
même note. Ainsi, il est aisé de différencier un piano ou une guitare, une flûte d’un saxophone, un
violon d’une harpe ou d’une contrebasse.
Deux sons de même fréquence donnent des sensations différentes, liées d’une part aux harmoniques
présents dans le son et d’autre part à la durée et à l’importance de ces harmoniques. On appelle timbre
d’un son la propriété du son qui traduit ces différences.
3.1. HARMONIQUE ET SPECTRE D’UN SON.
Le spectre est une représentation de l’ensemble des harmoniques composant le son en fonction de leur intensité.
En effet, l’existence de plusieurs modes de vibration (fondamental et harmoniques) implique que els sons émis sont majoritairement
composés de plusieurs fréquences. A l’aide d’un analyseur de spectre, on peut décomposer le signal étudié et comparer le nombre
d’harmoniques pour un son sinusoïdal et pour un son composé.
L’ensemble des vibrations de fréquences f1, f2 = 2 f1, f3 = 3 f1 ... d’amplitudes différentes détermine la richesse d’un son composé.
L’amplitude de chacune de ces vibrations dépend de l’instrument et de la façon dont il est joué.
3.2. TIMBRE D’UN SON.
Certains instruments sont réputés pour la tenue de leurs sons (durée d’émission) comme certianes percussions (cymbales, cloches ...)
ou bien pour la briéveté de celui-ci (caisse claire, pizzicato ou violon ..). Si le musicien peut moduler la durée d’une note, elle dépend
aussi et surtout de la nature de l’instrument joué.
Le signal u(t) enregistré avec un instrument, permet de distinguer deux phases: une première phase correspondant au début de l’émis-
sion, appelée transitoire d’attaque. Après une durée plus ou moins brève correspondant au corps du son, ce dernier s’atténue lors du
transitoire d’extinction.
4. EFFET DOPPLER
Le son d’un moteur ou d’une sirène est perçu plus aigu quand le véhicule qui l’émet s’approche d’un observateur et plus grave quand il
s’en éloigne. Ce phénomène a été prévu par Doppler en 1842 puis confirmé expérimentalement par Ballot en 1845.
Une onde (sonore mais plus généralement mécanique ou électromagnétique) émise avec une fréquence fE est perçue avec une fré-
quence fR différente lorsque l’émetteur et le récepteur sont en déplacement relatif: c’est l’effet Doppler.