Aspect scientifique
Définition du son :
Le son est une sensation auditive provoquée par une onde acoustique.
" Le son est la sensation auditive causée par les perturbations d'un milieu matériel élastique fluide ou solide (spécialement l'air)". (Définition selon le Petit Robert)
-En physique, une onde acoustique est une onde se propageant dans un milieu matériel (tout sauf le vide).
-D’un point de vue physiologique, un son est un signal perçu par le sens de l’ouïe.
Propagation d'un son:
La propagation d'une onde acoustique dépend de la pression atmosphérique du milieu.
Dans le cas où le son se propage dans l’air, c'est cette pression atmosphérique qui va subir des variations. C'est en fait la propagation successive de surpressions et de dépressions qui constituera la manifestation physique d'un son dans l'air.
L'air est un milieu dit "élastique", ainsi les régions comprimées (excitation de molécules) se détendent, et la zone suivante se comprime, et ainsi de suite. Le vide étant un milieu immatériel, c'est pour cette raison qu'une onde sonore ne peut pas s'y propager.
Le son se propage à une vitesse C = 340 m.s-1 dans l'air (à une température d'environ 20°C).
Dans l'eau, sa vitesse de propagation est de 1460 m.s-1, et encore plus rapide dans l'acier, soit environ 5500 m.s-1 .
Donc pour qu'il y ait émission et perception d'un son, 3 éléments sont nécessaires :
1) Une source produisant une vibration. Exemple: un instrument de musique comme la guitare ou un "instrument" biologique comme les cordes vocales.
2) Un milieu porteur transmettant cette vibration (un milieu matériel : l'eau, l'air... , mais pas le vide).
3) Une oreille qui reçoit cette vibration.
Le son est donc ce que l’oreille perçoit de la vibration d’un corps qui se propage dans l'air (ou milieux gazeux), dans les liquides ou les corps solides, mais pas dans le vide.
Il existe 3 types de sons : les sons purs, les bruits et les sons musicaux. Au cours de ce raisonnement nous vous montrerons comment caractériser chacun d'entre eux.
Comment caractériser un son pur ?
Par sa longueur d'onde (lambda)
La longueur d'onde est la distance parcourue par une onde sonore pendant une période T.
Soit: Lambda = C x T
Lambda en m ; C est la vitesse du son (célérité du son dans l'air: C= 340 m.s-1) ; T est la période en seconde (s) .
Par sa fréquence (F)
La fréquence d'un phénomène périodique est le nombre de répétitions de ce phénomène reçues par le tympan durant 1 sec, elle se mesure en Hertz (Hz). Une répétition d'un seul phénomène en 1 seconde correspond donc à une fréquence de 1 Hz.
Un son pur possède une unique fréquence, on la nomme fréquence fondamentale. Elle est notée f0.
L'oreille humaine perçoit des sons dont la fréquence varie entre 20 et 20.000 Hz, mais la voix humaine ne peut pas produire de sons ayant des fréquences supérieures à 1000 Hz.
Voici les différentes catégories de fréquences du son :
|
Nom |
Fréquence |
|
Infra-son |
< 20 hertz |
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Basse |
20 - 200 hertz |
|
Bas-médium |
200 - 2 000 hertz |
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Haut-médium |
2 000 - 12 000 hertz |
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Aigu |
12 000 - 20 000 hertz |
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Ultra-son |
> 20 000 hertz |
Fréquences perçues par l'oreille humaine
Par sa période (T)
La période est une durée au bout de laquelle un phénomène périodique se reproduit identique à lui-même. Elle se note T.
C'est la valeur inverse de la fréquence, elle se mesure en secondes.
On peut écrire: T= 1 / F et F= 1 / T (F en Hz et T en secondes )
Représentation schématique d'une onde sonore d'un son pur
(schéma: réalisation personnelle)
Par son intensité (i)
L'intensité se calcule selon la formule suivante : i = P / S
- "P" est la puissance acoustique d'un son envoyée aux récepteurs (les tympans par exemples), c'est le "débit" d'énergie sonore qui se propage en 1 seconde sur une surface (S) . P s'exprime en Watt (W).
- "S" est la distance (en mètre) au carré, entre l'auditeur et la source d'émission, elle représente donc une surface qui s'exprime en mètre carré (m²).
- "i" est donc la puissance de la vibration de l'onde reçue par unité de surface, elle s'exprime en W.m-2
La valeur maximale de l'intensité d'un son correspond à son amplitude.
Seuil minimal d'audibilité de l'oreille humaine : 10-12 W.m-2
Seuil maximal ( "seuil de douleur") : 10 W.m-2
Les valeurs d'intensité sonore perceptibles sont comprises dans un intervalle extrêmement large : de 10-12 W.m-2 à 10 W.m-2 ( soit un facteur de 1013 ). C'est pourquoi une échelle de grandeur plus adaptée est utilisée pour définir le niveau d'intensité sonore:
Le niveau sonore (L)
Le niveau sonore dépend de l'intensité d'un son. il se note L et on l'exprime en décibels (dB). Il se mesure généralement avec un sonomètre.
Pour trouver le niveau sonore d'un son, on respecte la formule : L = 10 x Log ( i / i0 )
- i est l'intensité sonore de la vibration émise. Elle s'exprime en W.m-2
- i0 est l'intensité sonore de référence, soit 10-12 W.m-2, on l'appelle le seuil conventionnel d'audibilité de l'oreille humaine.
- Log (x) correspond à la fonction logarithme décimale : f(x) = log(x)
Explication de la fonction logarithme décimale :
Tout nombre a une écriture scientifique de la forme a.10n
On définit la fonction logarithme décimale telle que log(x) = log(a.10n) = n + log(a)
Exemples: log (10) = 1 car 101=10 ; log(2,4.103) = 3 + log(2,4) = 3 + 0.38 = 3.38
La partie entière se nomme la caractéristique du logarithme et la partie décimale est la mantisse, on lit sa valeur sur une table de logarithme.
Domaine d'audibilité de l'humain :
Nous savons maintenant comment calculer le niveau d'intensité sonore, voici le calcul du domaine d'audibilité de l'humain :
- i0 est l'intensité sonore de référence, soit 10-12 W.m-2, on l'appelle le seuil conventionnel d'audibilité de l'oreille humaine. Elle correspond au niveau sonore limite L0 .
- imax est l'intensité maximale du son perçu par l'oreille humaine, soit 10 W.m-2 , on l'appelle le seuil à risque. Elle correspond au niveau sonore maximal Lmax .
| L0 = 10 x log (i0 / i0) L0 = 10 x log (10-12 / 10-12 ) L0 = 10 x log(1) L0 = 10 x 0 L0 = 0 dB |
Lmax = 10 x log (imax / i0 ) Lmax = 10 x log (10 / 10-12 ) Lmax = 10 x log ( 10 x 1012 ) Lmax = 10 x log (1013) Lmax = 10 x 13 Lmax = 130 dB |
Le seuil d'audibilité de l'oreille humaine est donc situé à 0 décibel. Quant au seuil à risque, il est situé à environ 130 dB. Nous pouvons donc dire que le domaine d'audibilité de l'oreille humaine s'étend de 0 dB à 130 dB. Ces mesures sont bien évidement théoriques, et les valeurs peuvent varier d'un individu à l'autre.
Dans le langage courant, le terme de "niveau sonore " correspond au volume. Lorsque l'on augmente le volume du son produit par des écouteurs, on augmente son niveau sonore, en décibels.
Comment caractériser un son musical ?
Par sa hauteur:
En musique, la fréquence fondamentale d'un son caractérise sa hauteur. Une fréquence faible correspond à une hauteur grave. Une fréquence élevée correspond à une hauteur aiguë.
Par son intensité:
En musique le volume sonore définit l'intensité d'un son.
| Echelle d'intensité | |||||
| - | --------------------------------------------------------------------------------------> | + | |||
| piannissimo | piano | mezzo-piano | mezzo-forte | forte | fortissimo |
une intensité dite "piano" correspond à un volume faible
une intensité dite "forte" correspond à un volume élevé
Par son timbre:
Le timbre est le paramètre qui distingue deux sons de même hauteur et de même intensité. Il désigne l'ensemble des caractéristiques d'un son. On l'utilise souvent pour caractériser un instrument de musique.
Par exemple une note, le La (440 Hz), sera différent lorsqu'il est joué par un piano ou un violon, cela est dû aux harmoniques qui varient d'un instrument à l'autre.
Par son rythme (ou tempo):
Le rythme (ou tempo) d'un son musical dépend de sa période.
| Echelle de rythme (ou tempo) | |||||||||
| - | ---------------------------------------------------------------------------------------------------------> | + | |||||||
| largo | lento | adagio | andante | moderato | allegretto | allegro | vivace | presto | prestissimo |
Un rythme (ou tempo) lento correspond à 60 pulsations par minute, soit une période de 1 s
Un rythme (ou tempo) presto correspond à 180 pulsations par minute, soit une période de 0.03 sec.
Comment caractériser un bruit ?
Un bruit est un son. Cependant, ses fréquences et leurs harmoniques ont la particularité de ne pas forcément être "arrangés", ensemble pour donner un ressenti cohérent. Nous pouvons donc distinguer deux catégories de bruits :
Les bruits consonants : Les sons émis simultanément ou successivement possèdent des affinités entre eux, c'est-à-dire que le bruit va émettre sur une plage de fréquences harmoniques continues, donc les sons émis auront une sorte de "lien" entre eux, ce qui va donner une impression d'harmonie.
Les bruits dissonants : Les sons émis simultanément ou successivement ne possèdent pas d'affinités entre eux. Les harmoniques ne sont pas émises sur une plage de fréquences continues.
NB: Les termes écrits en orange seront définis dans le glossaire
