2.

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.

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.

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.

3.

Timbre

Si on joue le la du diapason sur l’instrument du même nom, sur un piano ou sur un violon, à volume identique, ces trois sons ont la même fréquence et la même amplitude, mais possèdent un timbre nettement différent. De ces trois sources sonores, le son le plus pur est celui émis par le diapason, car il est constitué presque uniquement de vibrations ayant une fréquence de 440 Hz. En revanche, le diapason produit par un piano ou un violon se compose d’une vibration principale de 440 Hz, appelée la fondamentale, à laquelle se superposent d’autres vibrations dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. Ces vibrations annexes sont appelées harmoniques, et leurs intensités déterminent le timbre de la note.

4.

Vitesse du son

La fréquence d’une onde acoustique correspond à une mesure du nombre d’ondes qui passent par seconde en un point donné. La distance entre deux sommets successifs de cette onde s’appelle la longueur d’onde. Le produit de cette longueur d’onde par la fréquence est égal à la vitesse de propagation de l’onde, qui est la même pour tous les sons se propageant dans le même milieu à température constante. Ainsi, la longueur d’onde du diapason est d’environ 78,2 cm, tandis que la longueur d’onde du la situé une octave plus bas est d’environ 156,4 cm.

La vitesse de propagation du son dans l’air sec à une température de 0 °C est de 331,6 m/s. Lorsque la température s’élève, la vitesse du son augmente également. Ainsi, à 20 °C, la vitesse du son est de 344 m/s. En revanche, une modification de la pression dans un milieu de densité constante n’a pratiquement pas d’influence sur la vitesse du son.

Lorsque le son se propage dans un gaz, sa vitesse dépend de la densité de ce gaz. Cela peut se comprendre facilement : si les molécules du gaz sont lourdes, elles se déplacent moins facilement, si bien que le son se propagera plus lentement dans un tel milieu. Par conséquent, plus le gaz est dense, plus la vitesse du son dans ce gaz est faible. Le son se propage donc plus rapidement dans de l’air humide que dans de l’air sec, puisque l’air humide contient un plus grand nombre de molécules légères.

En général, le son se propage plus rapidement dans les liquides et dans les solides que dans les gaz. On montre que la vitesse du son est proportionnelle à la racine carrée du module d’élasticité du milieu. C’est pourquoi le son se déplace très rapidement dans l’acier qui est très élastique : sa vitesse est de presque 5 km/s. Dans le cas du cuivre, la vitesse du son est de 3 353 m/s à la température ordinaire, mais décroît lorsque la température augmente, parce que l’élasticité du cuivre diminue. En revanche, la vitesse du son dans l’eau, qui est de 1 525 m/s à la température ordinaire, augmente lorsque la température s’élève.

5.

Réfraction, réflexion et interférence

Le son se propage en ligne droite lorsqu’il traverse un milieu ayant une densité uniforme. Cependant, comme la lumière, le son est sujet à la réfraction dès qu’il pénètre dans un nouveau milieu (voir optique). La réfraction se traduit par un changement de la direction initiale des ondes. Lorsque le son passe d’un milieu dans un autre, il a tendance à revenir vers celui dans lequel il se propage plus lentement. Dans les régions polaires, par exemple, où l’air situé à hauteur d’homme est plus chaud que celui situé au niveau du sol, une onde acoustique pénétrant dans cette zone plus chaude, sera détournée vers le sol, où sa vitesse de propagation est plus faible. La réfraction des ondes acoustiques explique également la bonne ou mauvaise réception d’un son se propageant dans le vent. En effet, la vitesse du vent est généralement plus faible au niveau du sol qu’à une hauteur de quelques mètres. Par conséquent, une onde acoustique portée par le vent va se réfracter vers le sol, zone dans laquelle l’onde se propage plus lentement. Il sera donc possible pour un être humain de percevoir cette vibration acoustique. En revanche, une onde acoustique se déplaçant contre le vent va se réfracter vers le haut, donc à une hauteur empêchant toute réception possible du son pour un individu.

À l’instar de la lumière, l’onde acoustique peut également subir une réflexion ou une diffraction. La réflexion d’un son correspond au phénomène de l’écho. En acoustique, on utilise beaucoup la réflexion pour amplifier ou pour capter des sons. Par exemple, le mode de fonctionnement du sonar se base sur la réflexion des sons se propageant dans l’eau. Une autre application de la réflexion sonore est le mégaphone, sorte de tube en forme d’entonnoir, qui réfléchit les ondes acoustiques vers l’intérieur, provoquant ainsi la focalisation du son émis. Le conduit auditif de l’oreille fonctionne exactement suivant le dispositif inverse, en focalisant les ondes acoustiques grâce à la partie évasée de l’oreille qui est pointée vers la source sonore.

Le son est également soumis aux interférences. Si un son émis par une source emprunte deux chemins différents (un chemin direct et un chemin réfléchi) pour parvenir à une source réceptrice, les deux sons créés vont alors se superposer. S’ils sont en phase, leur combinaison aboutira à un son plus fort. En revanche, s’ils sont en déphasage, le son perçu sera moins puissant que celui obtenu sans interférence. Des sons de fréquences différentes peuvent également interférer : on obtient alors des distorsions complexes.