Son (physique) - Définition et Explications

Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance.

La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) qui étudie les sons s'appelle l'acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des...). La psychoacoustique (Le rôle du cerveau dans la perception est particulièrement important car il fournit un gros...) combine l'acoustique avec la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) et la psychologie, pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau (Le cerveau est le principal organe du système nerveux central des animaux. Le cerveau traite...).

Propagation du son

Dans un milieu compressible, le plus souvent dans l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...), le son se propage sous forme d'une variation de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) crée par la source sonore. Un haut-parleur (Un haut-parleur est un transducteur électromécanique destiné à produire des sons à partir d'un...), par exemple, utilise ce mécanisme. Notons que seule la compression se déplace et non les molécules d'air, si ce n'est de quelques micromètres. Lorsque l'on observe des ronds dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...), les vagues se déplacent mais l'eau reste au même endroit, elle ne fait que se déplacer verticalement et non suivre les vagues (un bouchon placé sur l'eau reste à la même position sans se déplacer). Le son se propage également dans les solides sous forme de vibrations des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) appelées phonons. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de leur position d'équilibre.

La vitesse (On distingue :) de propagation du son (on parle également de la célérité) dépend de la nature, de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un gaz parfait (Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz...), la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. Dans un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) parfait la célérité (La célérité (traditionnellement notée c) est la vitesse de propagation d'un...) est donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par la relation :

c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi}}\,\rho est la masse volumique (La masse volumique est une grandeur physique qui caractérise la masse d'un matériau par...) du gaz et \,\chi sa compressibilité (La compressibilité est une caractéristique d'un corps, définissant sa variation relative de...).

On voit donc que la célérité du son diminue lorsque la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) du gaz augmente (effet d'inertie) et lorsque sa compressibilité (son aptitude à changer de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) sous l'effet de la pression) augmente. Quand il s'agit de l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), il convient de savoir en plus la structure thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) de la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) d'air traversée ainsi que la direction du vent (Le vent est le mouvement d’une atmosphère, masse de gaz située à la surface...) car :

  • le son se propage plus mal à l'horizontale que sous des angles montants à cause du changement de densité. (Cette propriété est prise en compte dans la conception des théâtres en plein air depuis l'antiquité)
  • l'atténuation (Perte d'intensité et amplitude d'un signal...) est nettement moins forte sous le vent. (Tant que son régime au sol n'est pas trop turbulent)
  • le son peut être littéralement porté par une inversion basse du gradient de température. Par exemple, suite au refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) à 5 km d'une voie ferrée (Une voie ferrée est un chemin de roulement pour les convois ferroviaires, constitué d'une ou...) sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l'inversion en effet guide d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...).

Les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système...) toutes les trois secondes, ce qui est utile pour mesurer grossièrement la distance d'un éclair lors d'un orage (Un orage, de l'ancien français ore qui signifiait vent, est une perturbation...) (la vitesse de la lumière (La vitesse de la lumière dans le vide, notée c (pour...) rendant sa perception quasi instantanée). Dans des milieux solides (non gazeux) le son peut se propager encore plus rapidement. Ainsi dans l'eau, sa vitesse est de 1482 m/s et dans l'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction...) de 5050 m/s. Le son ne se propage pas dans le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.), car il n'y a pas de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) pour supporter les ondes produites (isolation phonique), le son se propageant grâce aux déplacements des molécules d'air. C'est une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) dite longitudinale, car les point (Graphie) matériels se déplacent dans le même sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) que le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles...) de l'onde (l'autre type étant les ondes transversales).

Fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) et hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.)

La fréquence d'un son est exprimée en Hertz (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du...) (Hz), elle est directement liée à la hauteur d'un son perçu, mais n'en est qu'une des composantes (voir l'article Psychoacoustique). À une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) être vivant doté d'une ouïe (L’ouïe ou l’audition est la capacité de percevoir des sons. Elle est...) ne peut percevoir qu'une partie du spectre sonore :

  • les physiologistes s'accordent à dire que l'oreille (L'oreille est l'organe qui sert à capter le son et est donc le siège du sens de...) humaine moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) ne perçoit les sons que dans une certaine plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) de fréquences située environ (selon l'âge, la culture (La Culture est une civilisation pan-galactique inventée par Iain M. Banks au travers de ses...), etc.), entre 20 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons);
  • le chat (Le chat domestique (Felis silvestris catus) est un mammifère carnivore de la famille des...) peut percevoir des sons jusqu'à 25 kHz;
  • le chien (Le chien (Canis lupus familiaris) est un mammifère domestique de la famille des canidés,...) perçoit les sons jusqu'à 35 kHz;
  • la chauve-souris et le dauphin (Dauphin /do.'fɛ̃/ est un nom vernaculaire ambigu désignant en français...) peuvent percevoir les sons de fréquence 100 kHz.

Certains animaux utilisent leur aptitude à couvrir une large bande de fréquences à des fins diverses :

  • les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance;
  • les dauphins communiquent grâce aux ultrasons;
  • les chauve-souris émettent des ultrasons (~80 kHz) avec leur système d'écholocation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...).

Pour avoir les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée (musique classique occidentale), voir Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l'octave.

Amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et intensité

L'amplitude est une autre caractéristique importante d'un son. L'intensité perçue dépend (entre autres) de l'amplitude : le son peut être fort ou doux (les musiciens disent forte ou piano). Dans l'air, l'amplitude correspond aux variations de pression de l'onde.

Unité de mesure (En physique et en métrologie, les unités sont des étalons pour la mesure de...)

Là où habituellement la pression est mesurée en pascals, en acoustique l'intensité se mesure en décibels (dB). C'est une unité qui utilise le logarithme (En mathématiques, une fonction logarithme est une fonction définie sur à valeurs dans ,...) soit du rapport de l'intensité sonore sur l'intensité de référence exprimées en watts par mètre carré (Le mètre carré (symbole m²) est l'unité d'aire du système international.) (W0 = 10-12W.m-2), soit du rapport de la pression produite sur la pression de référence, exprimées en pascals (P0 = 2.10-5 Pa). Elle a été choisie ainsi parce que cela permet d'avoir des chiffres aisément manipulables, qui ne deviennent pas extrêmement grands ou petits (voir l'article Échelle logarithmique), et parce que cette approche correspond mieux à ce que perçoit l'oreille humaine en terme de sensation sonore.

Mais attention, la notion de niveau sonore ne donne qu'une vague (Une vague est un mouvement oscillatoire de la surface d'un océan, d'une mer ou d'un lac. Les...) idée de la sensation perçue, car il faut prendre en compte la sensibilité de l'oreille, qui varie principalement selon la fréquence du son (l'oreille est moins sensible aux basses fréquences). Une meilleure approximation (Une approximation est une représentation grossière c'est-à-dire manquant de...) du volume perçu est donnée en décibel (Le décibel (dB) est un sous-multiple du bel, correspondant à 1 dixième de bel....) pondéré A (dBA), elle peut être mesurée électroniquement après filtrage du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) par un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) à pondération A (il existe également des pondérations B et C adaptées aux mesures de sons d'intensités plus grandes).

0 dB correspond au minimum que l'oreille humaine peut percevoir appelé seuil d'audibilité, et non au silence absolu. Cette valeur a été choisie par expérimentation (L'expérimentation est une méthode scientifique qui consiste à tester par des expériences...) pour un son de fréquence 1000 Hz, elle vaut 10-12 W.m-2, mais la plupart des personnes ont un seuil d'audibilité supérieur à 0 dB (environ 4 dB). Le seuil de douleur (La douleur est la sensation ressentie par un organisme dont le système nerveux détecte un...) est de 130 dB, mais l'oreille peut subir des dommages à partir de 85 dB (voir l'article Psychoacoustique).

Il suffit de changer la référence de puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) ou de pression (P0 ou W0 dans les formules ci-dessous) pour que l'échelle des volumes soit complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) changée. C'est pourquoi les décibels gradués sur le bouton de volume d'une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) Hi-fi (Hi-Fi est l'abréviation du terme anglophone « High Fidelity », qui...) ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des puissances électriques de sortie de l'amplificateur (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les...), ce qui n'a quasiment rien à voir : la valeur 0 dB représente bien souvent la puissance maximale que l'amplificateur est capable de délivrer.

Niveau de bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son....) en puissance Niveau de bruit en pression
Lw = 10 \log \left ( \frac{W}{W_0} \right ) Lp =  10 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)^2 = 20 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)

Différentes mesures de l'amplitude

Il existe plusieurs façons de mesurer l'amplitude d'un son, et par extension, d'un signal quelconque de nature ondulatoire :

  • l'amplitude moyenne (la valeur moyenne arithmétique (La moyenne arithmétique d'une série statistique est la moyenne ordinaire, c'est-à-dire le...) du signal positif)
  • l'amplitude efficace (amplitude continue équivalente en puissance)
  • l'amplitude crête (maximale positive)
  • l'amplitude crête à crête (l'écart maximal d'amplitude positive et négative)

Dans la pratique, l'amplitude moyenne présente peu d'intérêt et n'est pas utilisée. En revanche, la valeur efficace (La valeur efficace (aussi dite RMS ou Root Mean Square) d’un courant ou d'une tension,...) ou RMS, pour Root Mean Square en anglais, soit la valeur quadratique moyenne du signal est universellement adoptée pour mesurer la valeur des tensions alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié...), dans le cadre général autant qu'en acoustique. Un amplificateur qui est donné pour 10 watts RMS fera 14 watts en crête et 28 watts en crête à crête (aussi noté cc). Les mesures de puissance crête à crête sont assez souvent appelées " watts musicaux " par les vendeurs de matériel audiovisuel, car les chiffres sont plus flatteurs.

Timbre

Le timbre détermine la couleur du son. Il est différent pour chaque type de source sonore et différencie, à l'oreille, deux sons qui auraient la même fréquence fondamentale (En acoustique, la fréquence fondamentale ou son fondamental est l'harmonique de premier rang d'un...) et la même intensité; par exemple la même note jouée (Épaisseur d’une muraille dans la partie où une baie, une ouverture de porte, de fenêtre a...) avec la même intensité mais avec une trompette ou un violon. Depuis le milieu du XXe siècle, l'acoustique musicale (L'acoustique musicale est la branche de l'acoustique consacrée à la place et à l'utilisation du...) a fait de grands progrès dans l'étude de cette composante, grâce au perfectionnement des instruments d'analyse du son.

Espace-temps (La notion d'espace-temps a été introduite au début des années 1900 et reprise...)

Comme tous les phénomènes perçus, le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle fondamental pour l'acoustique (et encore plus en musique). Il existe même des relations très étroites entre l'espace et le temps, vu que le son est une onde qui se propage dans l'espace au cours du temps.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques :

  • périodiques, dont la forme se répète à l'identique dans le temps ;
  • aléatoires, qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce qui suit, et d'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques statistiques (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement, c'est le cas des bruits " blanc ou rose " utilisés par les scientifiques et certains artistes ;
  • impulsionnels : qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.

Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans l'espace temporel ou dans l'espace fréquentiel. Dans ce dernier, on aura souvent recours à l'utilisation du spectre du signal, calculé depuis sa définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) fréquentielle (dite du domaine de Fourier). Le spectre d'un signal représente les différentes " notes " ou sons purs que contient un son, appelés partiels. Dans le cas d'un signal périodique stable comme une sirène, le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée " raie ". Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison (Une combinaison peut être :) d'un ensemble de " sons purs " qui sont des sinusoïdes (voir à ce sujet l'article sur la transformée de Fourier).

Enregistrement

La musique

La musique est l'art de combiner les sons en termes de rythme, de mélodie et/ou d'harmonie (notamment), son écoute (Sur un voilier, une écoute est un cordage servant à régler l'angle de la voile par rapport à...) "devant" nous procurer des sensations particulières. En ce qui concerne la musique occidentale tout du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la consonance qui est intimement liée au phénomène des sons harmoniques. Cependant, et depuis des siècles, les musiciens et les théoriciens ont buté sur l'impossibilité d'aboutir à la définition d'une échelle musicale " idéale " (voir l'exposé complet des problèmes posés dans l'article gammes et tempéraments et de plusieurs articles associés).

La comparaison de termes musicaux et de leur équivalent scientifiques (hauteur et fréquence, par exemple) montre la limite en art et science, limite que l'acoustique musicale a tenté de franchir en montrant les rapports qui peuvent s'établir entre la perception humaine de la musique et les phénomènes physiques qui peuvent être liés.

Le son et l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...)

Depuis la découverte de la synthèse numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) des sons, et avec l'arrivée d'ordinateurs personnels équipés en standard d'une carte son, il est devenu à la portée de tous d'enregistrer et de traiter les sons. De nombreux professionnels se tournent vers des solutions numériques, de moins en moins onéreuses, qui offrent, avec la progression de la capacité des ordinateurs, une foule de possibilités. Les cartes son haut de gamme possèdent de nombreuses entrées et sorties analogiques et numériques pour relier synthétiseurs et tables de mixage. L'informatique musicale s'est ainsi développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) au même rythme que les capacités de calcul des ordinateurs.

L'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un...)

Pour le traitement numérique du son (traitement par un ordinateur), il faut procéder à une conversion analogique (Le concept d'analogique est utilisé par opposition à celui de numérique.) - numérique, ce qu'on appelle son acquisition. Cette opération consiste à transformer les variations de pression du son, en une suite de nombres que les moyens informatiques pourront traiter. On appelle cette transformation l'échantillonnage (L'échantillonnage est la sélection d'une partie dans un tout. Il s'agit d'une notion importante...) du signal. Un microphone (Un microphone (ou plus simplement micro par apocope) est un dispositif de conversion des ondes...) convertit les variations de pressions de l'air en signaux électriques qui, reliées a un convertisseur analogique-numérique (CAN ou ADC en anglais, pour Analog to Digital Converter) qui va numériser ce signal à pas régulier, le transformer en une suite de nombres. Ce travail est à présent réalisé par les cartes son des ordinateurs personnels.

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