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Le son, sa nature, son environnement

Le son

Le son est un ébranlement périodique de l'air qui produit une série d'oscillations longitudinales se propageant de proche en proche à une vitesse qui dépend du milieu.

Le milieu doit être élastique, car les son ne peuvent se transmettre dans le vide. Il s'agit d'une vibration sur place des molécules, un haut-parleur puissant ne peut créer un courant d'air.


Pour devenir un son, ces ébranlements doivent agir sur notre sens auditif. Notre oreille est sensible aux vibrations entre 16et 20000 oscillations complètes par seconde, ou Hertz (Hz). En dessous de 16Hz, ce sonts des infra-sons que nous pouvont perçevoir par la paroie abdominale; cette propriété est utilisée par certains films-catastrophe dans le cinéma. Au-dessus de 20000Hz, il d'agit d'ultra-sons que certains animaux perçoivent ; les chients policiers sont dressés pour obéir à un sifflet ultrasonore par exemple.

La perception des fréquences élevées diminue avec l'âge, jusqu'à environ 10000Hz et parfois même moins. Il est donc conseillé de faire attention a notre niveau d'écoute (discothèque, rave, casque) pour ne pas endommager irrémédiablement notre tympan.


L'énergie fournie par la source est véhiculée par cet ébranlement : c'est la puissance acoustique. Les ondes sphériques qui entourent la source présentent une sruface proportionnelle au carré de leur rayon. C'est l'amortissement du son modifié par la vuscosité de l'air qui croît avec la fréquence. Par conséquent, les sons aigus portent moins loin que les sons grave à intensité égale.

La vitesse du son dans l'air augmente avec la température : à 0°C, elle est de 331m/s et à 18°C de 340m/s. Elle est indépendante de la pression atmosphérique.

L'intensité est l'amplitude de la variation de pression de l'air ; elle s'exprime en pascals (1 Pa + 1N/m²). L'énergie de l'onde sonore est proportionnelle au carré de l'amplitude.



L'ouïe

L'oreille, notre récepteur auditif, est délicat et compliqué ; de plus, il n'est pas linéaire en fréquence, ni en sensibilité. Les courbes classiques de Fletcher et Munson donnent la sensibilité moyenne de l'oreille en fonction de la fréquence :



  • La courbe 1 donne la pression acoustique nécessaire pour atteindre le seuil d'audibilité. Sa sensibilité maximale se situe aux environs de 1000Hz et demande une pression acoustique de 2 x 10-5 Pa. En revanche, à 16Hz et à 20000Hz, cette pression doit être 100000 fois plus grande afin d\entendre ces fréquences (soit 60dB).

  • La courbe 2 done la pression acoustique qui sature l'oreille, c'est le seuil de douleur. A 1000Hz, l\écart entre le seuil d'audibilité et le seuil de douleur est de 120dB, soit 2 x10-5 Pa à environ 100 Pa.
Courbe de Fletcher et Munson, pression acoustique seuil d'audibilité et saturation de l'oreille


On sait que les comparaisons de puissance dans un même circuit s'expriment en décibels, selon la formule : n = 10 log x (P1/P2)


Les comparaisons d'intensité ou de tension dans des circuits de même impédance sont données par : n = 20 log x (E1/E2) = 20 log x (I1/I2)


En effet, P = E²/R, P = RI² - P = EI


Pour la mesure des niveaux de pression acoustique, on adopte comme niveau de référence (0dB) la pression acoustique au seuil d'audibilité à 1000Hz, soit 2 x 10-5 Pa. A ce moment, les niveaux en décibels sont suivis des lettres SL (sound level : niveau acoustique). Il sont donnés par la formule : n = 20 log (P/ 2 x 10-5).

Par exemple, le niveau d'une conversation normale est de 50 dBSL, une audition dans un appartement 70 dBSL, une sosnorisation de discothèque atteind 100 dBSL, et un avion à réaction 120 dBSL.


On obtient les équivalences suivantes :

  • 2 - 10-5 Pa = 0dBSL
  • 0,1 Pa = 74dBSL
  • 1 Pa = 94 dBSL
  • 10 Pa = 114 dBSL
  • 100 Pa = 143 dBSL

Les décibels servent aussi à évaluer les intervalles sonores, ou les différences d'intensité entre deux sons ; par exemple l'intervalle sonore entre les pianissimi et les fortissimi d'un orchestre peut être de 60 à 70 dB, c'est la dynamique de la musique. De même, on mesure le rapport entre le niveau musical et celui du bruit de fond ; par exemple, il est de 90 dB pour un disque laser.

Les décibels SL permettent de calculer le niveau de pression acoustique à une certaine distance de la source. Si on admet se trouver dans des conditions de propagation sphérique, la pression est inversement proportionnelle à la distance de la source ; c'est-àdire que le niveau de pression décroît de 6 dB à chaque fois que la distance double.



Les sons complexes

Les sons simples ou "purs" sont très rares ; la plupart des sources produisent des sons complexes. Ils sont constitués par une fréquence fondamentale et des harmoniques et des transitoires. Ce sont ces fréquences qui donnent le timbres de la voix ou de l'instrument et qui permettent de les reconnaître.

On distingue : les harmoniques et les transitoires.


Les harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. On distingue : les harmoniques pais (2f, 4f, 6f, 8f...) et les harmoniques impairs (3f, 5f, 7f, 9f...) que l'oreille n'accepte pas de la même façon. En général, les harmoniques pairs sont mieux acceptés. Les sons sont donc formés d'une superposition de vibrations de nature très différentes, dont la courbe résultante est très irrégulière. On démontre par le théorème de Fourier qu'un signal de forme quelconque peut être décomposé en un certain nombre de signaux sinusoïdaux déterminée.


Un son peut contenir certains harmoniques, les autres étant manquants. L'intensité de certains harmoniques de rang élevé peut être plus grande que celle de la fondamentale, ou celle des premiers harmoniques.

Un transitoire sonore est constitué par la période d'établissement ou d'extinction d'un son et ce de façon brusque. Il n'est par décomposable en série de Fourier.

Certaines sonorités ne sont en réalité que des transitoires : l'attaque d'une note de piano, des percussions, un coup de cymbales, etc.

Pour les reproduire correctement, il est nécessaire de disposer d'appareils dont la bande de fréquence est très large et la constante de temps très courte.

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