son

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Présentation

son, sensation auditive due à une vibration acoustique. Chez l’homme, la sensibilité au son, ou audition, correspond aux vibrations qui atteignent l’oreille interne et dont les fréquences sont comprises entre 15 Hz et 20 000 Hz. L’unité de fréquence du son, le hertz (Hz), représente un cycle par seconde. Le terme de son est parfois restreint aux ondes acoustiques qui se propagent dans l’air, mais les physiciens actuels en étendent la portée aux vibrations similaires qui se produisent dans les milieux liquides et solides. Les sons de fréquence supérieure à 20 000 Hz sont appelés ultrasons.

Cet article traite les grandes lignes de ce domaine de la physique. La conception de salles répondant à des critères de propagation et de réception des sons relève de l’acoustique architecturale. Par ailleurs, les caractéristiques relatives au processus physiologique de l’audition et à son mécanisme chez l’homme et l’animal sont traitées dans l’article oreille. Quant aux propriétés générales de la formation et de la propagation des ondes vibratoires, y compris les ondes acoustiques, il convient de se reporter à l’article oscillation.

D’une manière générale, une onde peut se propager transversalement ou longitudinalement dans un milieu. Dans les deux cas, seule la quantité d’énergie véhiculée par l’onde se déplace, tandis que le milieu demeure pratiquement inchangé. Un exemple simple d’onde transversale se présente lorsqu’on secoue l’extrémité libre d’une corde attachée à un poteau. Une onde va parcourir la corde jusqu’au poteau, avant de se réfléchir et de revenir à son point de départ. Chaque portion de la corde se sera déplacée transversalement et à tour de rôle, de haut en bas et de bas en haut. Ce type de déplacement d’onde s’appelle onde transversale. Un autre exemple d’onde transversale est celui de la pierre qu’on jette dans l’eau. À partir du point d’impact vont se former des séries de vaguelettes. Un bouchon flottant placé près du point d’impact va monter et descendre, perpendiculairement à la direction de la propagation de l’onde. En revanche, le bouchon ne subira pas ou peu de déplacement longitudinal.

Un exemple typique d’onde longitudinale est celui de l’onde acoustique. Les molécules d’air qui constituent le support du son, se déplacent d’avant en arrière, parallèlement à la direction du déplacement de l’onde. On peut par conséquent considérer une onde acoustique comme une suite périodique de compression et de dilatation de l’air. Au passage de l’onde, chaque molécule transmet une certaine quantité d’énergie aux molécules voisines, tout en conservant plus ou moins sa position initiale.

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Caractéristiques physiques

Tous les sons simples, tels qu’une note de musique, peuvent être décrits de manière exhaustive par trois paramètres : la hauteur, l’intensité (appelée aussi volume) et le timbre. Ces trois critères correspondent respectivement à trois caractéristiques de l’onde qui sont sa fréquence, son amplitude et sa constitution harmonique. En revanche, le bruit, qui se compose d’ondes acoustiques de fréquences différentes, ne peut être décrit par ces trois critères. Le bruit est un son complexe.

2.1

Fréquence

Il existe plusieurs méthodes permettant de produire un son à une certaine fréquence. Par exemple, on peut obtenir un son d’une fréquence de 440 Hz grâce à un haut-parleur équipé d’un oscillateur qu’on aura réglé sur cette fréquence (voir enregistrement et reproduction du son). Une autre manière d’y parvenir est d’employer une soufflerie d’air, devant laquelle on aura placé une roue dentée de 44 dents, tournant à la vitesse de 10 tours par seconde. On aura ainsi construit une sirène rudimentaire qui retentira à la fréquence de 440 Hz. Les sons émis par le haut-parleur et par la sirène auront donc la même hauteur, mais seront de timbre très différent. Cette fréquence de référence de 440 Hz correspond au diapason, qui est le la situé au-dessus du do médian du piano.

Il est facile de repérer sur un piano à quelle fréquence correspond une note donnée. Par définition, une octave représente l’intervalle séparant deux notes quelconques, dont la fréquence de l’une est le double de la fréquence de l’autre. Ainsi, si on prend comme repère le diapason du piano, le la situé une octave plus haut correspond donc à une fréquence de 880 Hz. De la même manière, les la situés un et deux octaves plus bas ont des fréquences respectives de 220 et de 110 Hz. Pour chaque intervalle de notes, il existe un rapport de fréquences correspondant. Ainsi, une quinte représente l’intervalle de deux notes dont le rapport de fréquences est de trois demis. De même, dans le cas d’une tierce majeure, le rapport de fréquences est de cinq quarts.

D’après une loi fondamentale de l’harmonie, deux notes ayant une octave d’écart et émises simultanément produiront une combinaison euphonique, c’est-à-dire harmonieuse à l’oreille. Par extension, un accord de plusieurs notes sera euphonique si les rapports de leurs fréquences sont de petits nombres entiers. Dans le cas contraire, une dissonance se produira. Sur un instrument qui émet des sons de hauteur fixe, tel un piano, il n’est évidemment pas possible de jouer en respectant scrupuleusement ces rapports. C’est pourquoi on adopte des compromis, tout en restant conforme à la gamme tempérée.

2.2

Amplitude et intensité

On a vu plus haut que l’intensité d’un son était liée à l’amplitude de l’onde acoustique correspondante. Cette dernière représente en fait une mesure du déplacement des molécules d’air. Plus les molécules d’air frapperont avec force la membrane de l’oreille, plus l’amplitude de l’onde sera grande et donc plus le son paraîtra fort. L’amplitude d’une onde acoustique peut se calculer de différentes manières. Par exemple, on peut mesurer la distance du déplacement relatif des molécules d’air, ou bien encore la différence de pression qui s’opère au cours des dilatations et compressions successives de l’air. On peut également la calculer en mesurant l’énergie mise en jeu par les vibrations sonores. Il est cependant difficile d’effectuer tous ces calculs, c’est pourquoi on préfère mesurer l’intensité d’un son en le comparant avec un son standard, exprimé en décibels.

On démontre que l’intensité d’un son est égal au flux moyen d’énergie par unité de surface perpendiculairement à la direction de la propagation. Comme une onde acoustique est sphérique, cette unité de surface dépend du rayon de cette sphère. L’intensité d’un son dépend donc de la distance à laquelle le son est perçu. Si on néglige la viscosité de l’air, on peut considérer qu’il n’y a aucune perte d’énergie. Dans ce cas, l’intensité d’un son sera inversement proportionnelle au carré de la distance à laquelle il est perçu. Dans la réalité, il faut prendre en compte les variations des propriétés physiques de l’air, telles que la température, la pression et l’humidité. Ces variations produisent un amortissement et une dispersion des ondes acoustiques émises, si bien qu’on ne peut appliquer la loi de l’inverse du carré de la distance pour mesurer avec précision l’intensité du son.