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1 Notions fondamentales.
1.1 Aspects objectifs et quantifiables des sons.
Voici une brève définition du mot « son » selon wikipedia :
« Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et
propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension
physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de
donner naissance. »
Le son est donc à la fois définit comme un phénomène physique et une sensation. Cette
ambivalence est la première d'une longue série de double-sens qu'expérimenterons ceux qui
souhaitent comprendre ce qu'est le son.
Afin d'éviter toute confusion, nous allons séparer l'étude des sons en deux domaines :
•L'ensemble des connaissances et expériences scientifiques traitant de la nature du son
constituent la physique acoustique. Elle définit le son mécaniquement ; c'est une onde qui
se propage dans un milieu.
•La sensation que cette vibration génère est aussi appelée « son ». Son étude relève entre
autre de la psychoacoustique et concerne les aspects subjectifs du son.
Bien sur la technique seule ne suffit certainement pas à engendrer la beauté. Les disciplines
citées plus haut ne sont pas non plus séparées par des frontières nettes. Dans le cadre de la régie-
son, le savoir-faire est à la fois technique et esthétique. La principale qualité du régisseur sera de
pouvoir établir le dialogue avec le technicien et avec l'artiste.
La physique acoustique permet d'utiliser un langage technique limité mais extrêmement précis.
Les sons sont considérés comme des phénomènes mécaniques, des vibrations, des mouvements que
l'on peut mesurer. Les aspects du son sont quantifiables, explicites. A la question : « L'arbre qui
tombe dans la forêt fait-il du bruit si personne n'est là pour l'entendre ?», l'acousticien répondra sans
doute : « Oui ! ».
1.2 Rappels de mécanique.
Tout d'abord revoyons quelques notions de mécanique classique :
Les unités fondamentales : Pouvoir décrire précisément un phénomène physique c'est d'abord
mesurer, comparer à un étalon, une série de grandeurs physiques fondamentales. Dans le système de
mesure international, les grandeurs fondamentales sont :
•La longueur (L) ou la distance (d), mesurées en mètre (m).
•Le temps (T), mesuré en seconde (s).
•Chaque objet contient une certaine quantité de matière : c'est la masse (m). Elle est mesurée
en kilogramme (kg). Il ne faut pas la confondre avec le poids, qui en physique a une autre
signification.
Les unités dérivées : Elles sont calculées en fonction des grandeurs fondamentales mesurées.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 1.

•Un objet peut être en mouvement ou immobile. La vitesse (v) d'un objet est la distance (d)
qu'il parcoure à chaque seconde. Elle est mesurée en mètre par seconde (m/s) et se calcule
comme ceci :
•La vitesse d'un objet est constante lorsque l'objet décrit un mouvement rectiligne
uniforme. Il se déplace en ligne droite et sa vitesse ne change pas. Si on n'y touche pas,
l'objet continue son mouvement. C'est le principe d'inertie.
•Si la vitesse d'un objet varie avec le temps, n'est pas constante, il subit alors une
accélération (a). Elle est mesurée en mètre par seconde par seconde m/s2. Elle se calcule
en faisant la différence de la vitesse finale et de la vitesse initiale, le tout divisé par le temps
pendant lequel l'accélération a eu lieu :
•Comme la vitesse nous permet de déterminer la position d'un objet, on peut donc relier la
position de celui-ci avec son accélération par cette formule :
•Pour accélérer un objet, il faut lui appliquer une force (F). Pour qu'une masse d'un
kilogramme effectue une accélération d'un mètre par seconde par seconde, on doit lui
appliquer une force d'un Newton (N). La force se calcule de manière suivante :
•Le concept de force nous permet d'expliquer pourquoi les objets en chute libre tombent de
plus en plus vite, sous l'effet de l'accélération gravitationnelle, appelée aussi gravité (g), qui
vaut 10 m/s2. En physique, le poids d'un objet est la force générée par la gravité, toujours
mesuré en Newton.
•Les vitesses, les accélérations, les forces et les poids sont des vecteurs, ils ont une grandeur,
mais aussi un point d'application (l'objet sur lequel ils s'exercent) et un sens (le sens dans
lequel ils tendent à déplacer l'objet).
Exemple :
On jette un piano du troisième étage :
•La masse du piano est de 300kg.
•La vitesse initiale du piano est nulle : vi=0m/s.
•La hauteur à laquelle le piano est jeté est de 10m : d=10m.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 2.
v=d/t
a=(vf−vi)/t
F=m.a
G=m.g
d=(a.t²)
2+vi.t

•L'accélération qui attire le piano vers le sol, c'est la gravité : g=10m/s2.
On peut déduire le poids du
piano :
G=m.g=300.10=3000N
On peut aussi calculer le temps
que prendra le piano pour toucher le
sol :
d=a.t²/2+vi.t
10=10.t²/2+0.t
t²=2
t=
√
2
t≃1,4
Le piano touchera donc le sol après 1,4 s de chute libre.
•Une force modifie donc la vitesse d'une masse. Cela nécessite de l'énergie, appelée aussi
travail (W). Elle est calculée en multipliant la valeur de la force par la distance sur laquelle
la force est appliquée et son unité est le Joule (J).
•La puissance (P) d'une force est la quantité d'énergie que cette force déploie à chaque
seconde. Son unité est le Watt (W).
Revenons-en à notre exemple. Maintenant que le piano est au rez de chaussée, pour le remonter au
troisième étage, une grue devra appliquer une force égale au poids du piano.
•G = 3000 N, donc F = 3000 N.
W=F.d
W=3000.10=30000
•L'énergie nécessaire pour remonter le piano vaut donc 30000 J.
Si la grue effectue le travail en trois secondes, elle déploiera une puissance de 10000W.
P=W
t
P=30000
3=10000
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 3.
W=F.d
Illustration 1: Poids et forces appliquées à un piano.
P=W
t

•Lorsqu'une force ne s'applique pas à un seul point de l'objet mais sur toute une surface de
celui-ci, on peut calculer la pression (p) qu'exerce la force sur l'objet. Son unité est le
Pascal (Pa) et elle se calcule en divisant la valeur de la force par la surface (S) (en mètre
carré) :
1.3 Nature et propagation du son.
•L'origine d'un son est un objet en mouvement : une source sonore.
•Le son a besoin d'un support. Il évolue dans un milieu élastique (l'air, l'eau, certains solides
comme le bois p. ex.). Il n'existe pas dans le vide.
•La source sonore exerce une déformation sur le milieu. Il se déforme mais aura tendance à
reprendre sa forme initiale, car il est élastique.
•Les perturbation mécaniques générée dans le milieu sont appelées « ondes acoustiques ».
•Les ondes se propagent avec une vitesse de propagation, ou célérité, qui dépend du milieu
qu'elles déforment.
1.3.1 Exemple 1 : Une conversation.
Une personne salue une autre personne dans la
rue. Sa voix est une source sonore. C'est un peu
d'air venant des poumons modulé par les cordes
vocales, qui va exercer temporairement une
pression, une contrainte sur le milieu élastique que
constitue l'air de la rue.
Il est important de bien appréhender le concept
de milieu élastique. L'air n'est pas vide. C'est un
gaz composé d'azote (78%) et d’oxygène (21%).
On peut voir à travers et le sens commun nous
indique à tort qu'il n'y a rien mais pourtant l'air
est un milieu élastique.
Les particules (atomes et molécules) qui
composent l'air sont un peu comme une énorme
quantité de minuscules boules de billard. Lorsque
la personne dans la rue pousse son cri, elle va
relâcher une petite quantité d'air, c'est à dire une
quantité de « boules de billard » bien faible en
comparaison de tout l'air qu'il y a dans la rue. Le
son arrivera pourtant bien aux oreilles de son
interlocuteur car le mouvement que le cri aura
généré va se répercuter, de particules en
particules. On a donc ici une vague de variations
de pression qui déforme le milieu. C'est l'onde
acoustique.
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 4.
Illustration 2: L'air est un milieu élastique.
p=F
S

Celle-ci se propage dans l'air avec une célérité de 340 m/s (mètres par seconde). Ce ne sont pas
les particules d'air expirées par la personne qui présentent cette vitesse mais bien l'onde acoustique
que celle-ci génère. Si la personne fume une cigarette en parlant, la fumée reste autour d'elle tandis
que les ondes acoustiques arrivent aux oreilles de son interlocuteur à la célérité de 340 m/s.
1.3.2 Exemple 2 : Analogie avec les ondes de surface.
Une façon de se représenter les ondes
acoustiques est d'observer les ondes de surface
générées lorsque l'on jette un petit caillou dans
un seau d'eau. Le milieu élastique que l'on
considère ici, c'est l'eau. Lorsque le caillou (la
source sonore) frappe la surface du liquide, il
génère une pression qui la déforme. Les rides
concentriques qui suivent l'impact sont des
déformations temporaires qui correspondent aux
ondes de surface. Si on remplace le caillou par
une grosse goutte d'encre, on remarquera que
l'encre commencera à se diffuser dans l'eau, mais
bien après que les ondes de surface aient atteint
le bord du seau. Les ondes de surface
ressemblent beaucoup aux ondes sonores.
1.3.3 Exemple 3 : Transmission du son dans les milieux solides.
Un dernier exemple : votre voisin tape sur le mur mitoyen avec son marteau. Le mur constitue
un milieu élastique. Beaucoup moins élastique que l'air ou l'eau, car les liaisons entre les particules
qui le constitue sont fortes (imaginez une infinité de boules de billard maintenues avec de la colle).
Mais suffisamment pour que vous puissiez entendre les bruits d'impacts. Une partie de la pression
exercée par le marteau (la source sonore) sur le mur (le milieu élastique) sera absorbé par le mur (dû
à la « colle »), tandis qu'une autre générera des ondes qui se propageront à
travers le mur. La célérité de ces ondes est plus rapide que celle de l'air,
car le milieu est plus dense (les boules de billard sont plus proches entre
elles).
Voici quelques exemples de célérités du son selon le milieu de
propagation. Plus le milieu est dense et contient de la matière, plus la
célérité est importante.
Le mur du son a longtemps été une limite à la vitesse des avions. Après
avoir percé une couche d'air extrêmement condensée en causant un
« Bang !», l'avion se déplace plus vite que le son qu'il produit, c'est à dire
à une vitesse supérieure à 350 m/s.
Si on retire les particules du milieu en faisant le vide, il n'y a plus de
son. L'expérience consistant à mettre un réveil sous une cloche à vide
illustre ce principe. Dès que tout l'air sous la cloche est aspiré, le réveil
qui sonne n’émet plus de son.
La lumière peut réagir elle aussi comme une onde, mais elle n'a pas
besoin de particules pour se transmettre. C'est une déformation
électromagnétique. Elle se déplace beaucoup plus vite que le son, et ce
quel que soit le milieu. Sa célérité est de 300000 km/s, un million de fois
plus rapide que le son. Voilà pourquoi on observe un décalage, lors d'un
orage, entre l'éclair de lumière et le bruit de la foudre. On peut de cette
Physique acoustique – Notions fondamentales. - Page 5.
Illustration 3: Goutte d'encre dans de l'eau.
Matériaux c en m/s
Air 343
Eau 1480
Glace 3200
Verre 5300
Acier 5600 à 5900
Plomb 1200
Titane 4950
PVC 2000
Béton 3100
Hêtre 3300
Granite 6200
Tableau 1: Célérité du
son selon le milieu.