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Onde sonore

Onde sonore

Le son a besoin d’un corps pour se propager et ne peut pas exister dans le vide.
ex : lorsqu’ on installe une cloche électrique sous une cloche en verre relièe à une pompe à vide le son de la cloche disparait progressivement lorsqu’on actionne la pompe. Une explosion sur la lune pourra être vue mais pas entendue.
Si le vide est le seul obstacle absolu au propagation du son, plusieurs matériaux sont très mauvais conducteurs : les corps mous (cire, plomb etc.) et les corps poreux (tissus, coton, laine de verre etc.) Par contre de nombreux corps naturels conduisent bien le son. L’air mais aussi l’eau, l’acier, le beton armé, canalisations d’acier etc.

On désigne par onde la manière dont le son se propage dans le milieu acoustique. L’onde sonore a une propagation radiale, comme l’onde provoquée par une pierre tombant dans l’eau, mais dans le cas du son, cette propagation radiale est sphérique et non plane. Elle se fait parallèlement à la direction de propagation.

L’onde peut être démontrée comme une alternance de condensations et de rarefactions des particules :

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onde1

La celerité (vitesse) du son est indépendante de la grandeur, de la nature et de la forme de l’énergie initiale. Elle dépend par contre du milieu de propagation, (nature, température, pression).
Dans l’air à 0° sous pression atmospherique, le son se déplace à la vitesse de 340 m par seconde. Dans l’eau : 1500m/s, l’acier 5000m/s. La celerité du son décroit lorsque la température décroit.

La longueur d’onde est la distance entre deux pics ou deux creux successifs de la courbe. Elle est inversement proportionnelle à la fréquence. Plus la longueur d’onde est courte, plus la fréquence et haute (le son est aigu), et inversement.

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onde2

Aux limites de perception des sons graves (avant les infrasons), les longueurs d’onde mesurent plusieurs mètres. Dans les hautes fréquences (avant les ultrasons) elles sont de quelques centimètres.
L’onde sonore manifeste les même phénomènes de réflexion et de réfraction que l’onde lumineuse, mais pas ceux de la diffraction. La réverbération et l’écho sont des phénomènes proprement sonores.

La période est la durée d’une vibration complète. Dans les sons dits périodiques, l’onde se reproduit à l’identique à chaque période, dans des intervalles de temps proportionnels à la longueur d’onde.

Fréquence

La fréquence est le nombre de périodes par seconde. L’unité de mesure de la fréquence : hertz (Htz) .

Fréquences (en hertz) des sons audibles : 20 à 20 000. Infrasons : moins de 20. Ultrasons : 15 000 à 120 000 (entendus par certains animaux : chat : 40 000 ; chien : 80 000 ; chauve-souris : 120 000).

La frequence d’une onde (tout au moins une onde simple) ne change pas pendant la propagation.

Amplitude

L’amplitude est la grandeur maximale de la vitesse d’une onde. Eller varie lors de la propagation et est perçu comme le « niveau » sonore. La relation entre une mesure objective d’amplitude et notre impression subjective de niveau est très complexe et dépend de facteurs multiples. On peut dire cependant que notre perception de niveau est plutôt liée au ratio de niveau entre deux sons plutôt que la différence mathématique ; la relation perçue entre un son d’une amplitude de 1 et un son d’amplitude 0.5 est le même que celle perçue entre un son de niveau 0.25 et un son de niveau 0.125 ; le ratio étant 2:1 dans les deux cas alors que la différence soustractive est 0.5 dans le premiere cas et 0.125 dans le deuxième cas. Afin de produire la sensation (subjective) que le niveau sonore a doublé, il faut multiplier l’amplitude par un facteur de beaucoup plus que 2. Pour cette raison nous organisons la mesure d’amplitude selon une échelle logarythmique decibels (dB), et la valeur exprimée est le ratio entre deux valeurs et non pas une mesure absolue.

On distingue plusieurs formes d’ondes dont les plus courantes sont : sinusoïdales, carrées, triangulaires, en dents de scie :

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L’onde sinusoïdale sert de son élémentaire dans l’analyse des formes ondulatoires de tous les sons périodiques. Selon le théorème de Fourier, un son périodique peut être décomposé en terme de somme de sons sinusoïdaux (les harmoniques) ayant une fréquence multiple (d’un nombre entier) de celle du son fondamental et se trouvant en phase avec lui.

Un son fondamental (celui qu’on entend) est composé ou se décompose en sons partiels de vibrations secondaires, produites par ses propres noeuds vibratoires. Ces sons partiels, ou harmoniques, se développent vers l’aigu à l’infini selon des fréquences proportionnelles au son fondamental.

Lorsque un son est tellement complexe qu’il contient une nombre extrème de frequences différentes sans rapport harmonique apparent, nous le percevons comme du bruit. Un son présente de façon aléatoire toutes les fréquences perceptibles et est connu sous le nom de bruit blanc.

Il peut être utile de considérer les sons sous forme d’un continuum partant d’un total « pureté » et « prédictabilité » (onde sinusoïdale) et allant jusqu’à l’aléatoire totale (bruit blanc). La majorité des sons se situant entre ces deux extrèmes.

Phase :
La phase se mesure en °, de 0 à 360 et correspond au point d’évolution de l’onde périodique.

Différence de phase 0°. L’amplitude de l’onde est doublée.

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opposition phase

Différence de phase 180°. L’onde s’annule.

Lorsque deux fréquences sont proches mais non identiques, la différence de phase module progressivement de 0° à 180°. Le résultat est perçu comme une variation d’amplitude d’une seule fréquence : battement ou tremulo.

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battement

- La différence de phase percue par les deux oreilles nous permet de situer la position d’un son dans l’espace.
- Deux haut-parleurs (stéreo) connectés avec la polarité inversée diffuseront en opposition de phase, annulant une partie importante des fréquences.
- Nombreux phénomènes acoustiques et effets sont basés sur ce phénomène : filtres, phasor...
- Les systèmes « anti bruit » fonctionnent par annulation (en diffusant l’onde inverse de celui qu’on cherche à neutraliser).

Résonance

Un système vibratoire possède généralement une fréquence de vibration dite propre, correspondant à son mode d’oscillation libre. En présence d’une excitation extérieure, ce système entre en vibration à la fréquence imposée par l’extérieur. mais l’amplitude dépend fortement de la fréquence ; elle est maximale lorsque la fréquence imposée est égale à la fréquence propre du système, on dit alors qu’il y a résonance. Pour ceci il faut que le rapport entre les dimensions du milieu (distance entre les murs d’une piece par exemple) soit egale à la moitié de la longeur d’onde. Ce phénomène est essentiel puisqu’il permet l’amplification de certaines vibrations (caisse de résonance, résonateur, cavité du conduit vocal), et d’expliquer le rôle des filtres il est important puisqu’il peut également entraîner, lorsqu’il n’est pas contrôlé, la déterioration du système (illustration du verre qui se brise sous l’effet d’une voix aiguë amplifiée).


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