Son (physique) 6826 31850685 2008-07-24T14:14:36Z Silversurfer78 351812 /* Propagation du son */ {{voir homonymes|Son}} Le '''son''' est une [[onde]] produite par la vibration mécanique d'un support [[fluide]] ou [[état solide|solide]] et propagée grâce à l'[[Déformation élastique|élasticité]] du milieu environnant sous forme d'''ondes longitudinales''. Par extension physiologique, le son désigne [[ouïe|la sensation auditive]] à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance. La science qui étudie les sons s'appelle l'[[acoustique]]. La [[psychoacoustique]] combine l'acoustique avec la [[physiologie]] et la [[psychologie]], pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau. ==Propagation du son== Dans un milieu compressible, le plus souvent dans l'[[air]], le son se propage sous forme d'une variation de [[pression]] créée par la source sonore. Un [[haut-parleur]], par exemple, utilise ce mécanisme. Seule la compression se déplace et non les [[molécule]]s d'air, si ce n'est de quelques [[micromètre]]s. Lorsque l'on observe des ronds dans l'eau, les [[vague]]s 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). <!--Pour cette raison, il n'y a pas de « vent » devant un haut-parleur.--> Le son se propage également dans les [[État solide|solides]] sous forme de [[vibration]]s des [[atome]]s appelées [[phonon]]s. Là encore, seule la vibration se propage, et non les atomes qui ne font que vibrer très faiblement autour de leur position d'équilibre. La [[Vitesse du son|vitesse de propagation du son]] (on parle également de la célérité) dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu. Comme l'air est proche d'un [[gaz parfait]], la pression a très peu d'influence sur la vitesse du son. Dans un gaz parfait la célérité est donnée par la relation : :<math>c=\frac{1}{\sqrt{\rho\chi}}</math> où <math>\,\rho</math> est la [[masse volumique]] du gaz et <math>\,\chi</math> sa [[compressibilité]]. On voit donc que la célérité du son diminue lorsque la densité du gaz augmente (effet d'[[Forces d'inertie|inertie]]) et lorsque sa [[compressibilité]] (son aptitude à changer de volume sous l'effet de la pression) augmente. Quand il s'agit de l'atmosphère, il convient de connaitre en plus la structure thermique de la masse d'air traversée ainsi que la direction du vent car : * le son se propage moins bien 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 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 [[Couche d'inversion|inversion]] basse du [[gradient]] de [[température]]. Par exemple, suite au refroidissement nocturne, il est possible d'entendre un train à 5 km d'une voie ferrée sous le vent malgré les obstacles. Le son est alors contraint de se propager sous l'inversion en effet [[guide d'onde]]. Les ondes sonores se déplacent à environ 344 mètres par seconde dans de l'air à 20 °C, vitesse qu'on peut arrondir à environ un kilomètre toutes les trois secondes, ce qui est utile pour mesurer grossièrement la distance d'un [[Foudre|éclair]] lors d'un [[orage]] (la vitesse de la lumière 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&nbsp;m/s et dans l'acier de 5050&nbsp;m/s. Le son ne se propage pas dans le [[vide]], car il n'y a pas de matière pour supporter les ondes produites ([[isolation phonique]]), le son se propageant grâce aux déplacements des molécules d'air. C'est une onde dite longitudinale, car les points matériels se déplacent dans le même sens que le déplacement de l'onde (l'autre type étant les ondes transversales). == Fréquence et hauteur == La fréquence d'un son est exprimée en [[Hertz (unité)|Hertz]] (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 être vivant doté d'une [[ouïe]] ne peut percevoir qu'une partie du [[spectre sonore]] : * les [[physiologie|physiologistes]] s'accordent à dire que l'[[oreille]] [[Homo sapiens|humaine]] moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 20 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'[[infrason]]s) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'[[ultrason]]s); * le [[chat]] peut percevoir des sons jusqu'à 25 kHz; * le [[chien]] perçoit les sons jusqu'à 35 kHz; * la [[chauve-souris]] et le [[dauphin]] 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 [[éléphant]]s utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs [[kilomètre]]s 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. 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|Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l'octave]]''. ==Amplitude et intensité== {{Article détaillé|Amplitude}} 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 === Là où habituellement la pression est mesurée en [[pascal (unité)|pascal]]s, en [[acoustique]] l'intensité se mesure en [[décibel]]s (dB). C'est une unité qui utilise le [[logarithme]] soit du rapport de l'[[Acoustique musicale#Intensité|intensité]] sonore sur l'intensité de référence exprimées en [[watt]]s par mètre carré (W<sub>0</sub>&nbsp;=&nbsp;10<sup>-12</sup>W.m<sup>-2</sup>), soit du rapport de la pression produite sur la pression de référence, exprimées en pascals (P<sub>0</sub>&nbsp;=&nbsp;2.10<sup>-5</sup> 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 [[acoustique|ce que perçoit l'oreille]] humaine en terme de [[ouïe|sensation sonore]]. Mais attention, la notion de niveau sonore ne donne qu'une vague 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 du volume perçu est donnée en [[DBA (unité)|décibel pondéré A]] (dBA), elle peut être mesurée électroniquement après filtrage du signal par un filtre 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 pour un son de fréquence 1000&nbsp;Hz, elle vaut 10<sup>-12</sup> W.m<sup>-2</sup>, mais la plupart des personnes ont un seuil d'audibilité supérieur à 0&nbsp;dB (environ 4 dB). Le seuil de douleur est de 130&nbsp;dB, mais l'oreille peut subir des dommages à partir de 85&nbsp;dB (voir l'article [[Psychoacoustique]]). Il suffit de changer la référence de puissance ou de pression (P<sub>0</sub> ou W<sub>0</sub> dans les formules ci-dessous) pour que l'échelle des volumes soit complètement changée. C'est pourquoi les décibels gradués sur le bouton de volume d'une [[chaîne Hi-fi]] ne correspondent pas du tout à des niveaux acoustiques mais à des [[Puissance électrique|puissances électriques]] de sortie de l'[[Amplificateur audio|amplificateur]], ce qui n'a quasiment rien à voir : la valeur 0&nbsp;dB représente bien souvent la puissance maximale que l'amplificateur est capable de délivrer. <!-- Acoustiquement parlant, le niveau en dB est bien supérieur, sinon vous n'auriez pas acheté cet amplificateur-là, mais cela dépend aussi de vos enceintes… --> {| border="0" width="70%" align="center" ! | Niveau de bruit en puissance !! Niveau de bruit en pression |- |width="50%" | <math>Lw = 10 \log \left ( \frac{W}{W_0} \right )</math> |width="50%" | <math>Lp = 10 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)^2 = 20 \log \left ( \frac{p}{p_0} \right)</math> |} === 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]] du signal positif) * l'amplitude [[valeur efficace|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 ou RMS, pour ''Root Mean Square'' en [[anglais]], soit la [[valeur quadratique moyenne]] du signal est universellement adoptée pour mesurer la valeur des [[Courant alternatif|tensions alternatives]], 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 == {{Article détaillé|Timbre (Musique)}} C’est la caractéristique qui peut identifier un son d’une façon unique. Deux sons peuvent avoir la même fréquence fondamentale et la même intensité; mais ne peuvent jamais avoir le même timbre. ==Espace-temps== Comme tous les phénomènes perçus, le [[temps]] joue un rôle fondamental pour l'acoustique (et encore plus en [[musique]]). Il existe même des relations très étroites entre l'[[Espace (notion)|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 : * [[périodique]]s, dont la forme se répète à l'identique dans le temps ; * [[aléatoire]]s, qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. Dans ce qui suit, et d'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques [[statistique]]s stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement, c'est le cas des [[bruit]]s « [[bruit blanc|blanc]] ou [[bruit rose|rose]] » utilisés par les scientifiques et certains artistes ; * [[impulsionnel]]s : 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 sonore|spectre]] du signal, calculé depuis sa définition fréquentielle (dite du domaine de [[Joseph Fourier|Fourier]]). Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés [[partiel (acoustique)|partiel]]s. Dans le cas d'un signal [[périodique]] [[stable]] comme une [[Avertisseur sonore|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 d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes (voir à ce sujet l'article sur la [[transformée de Fourier]]). == Enregistrement == {{Article détaillé|Enregistrement sonore}} En musique, l'enregistrement d'un morceau de musique a lieu pour en conserver une trace. ==La musique == {{Article détaillé|Musique}} La musique est l'[[art]] de combiner les sons en termes de rythme, de [[Mélodie (succession de hauteurs)|mélodie]] et/ou d'[[Harmonie tonale élémentaire|harmonie]] (notamment), son écoute "devant" nous procure des sensations particulières. En ce qui concerne la [[musique occidentale]] tout du moins, la notion essentielle (mais subjective) est celle de la [[Consonance#Musique|consonance]] qui est intimement liée au phénomène des sons [[harmonique]]s. Cependant, et depuis des siècles, les théoriciens de la musique 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 == {{Article détaillé|Synthèse sonore}} Depuis la découverte de la synthèse numérique des sons, et avec l'arrivée d'[[ordinateur]]s 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 [[synthétiseur]]s et [[table de mixage|tables de mixage]]. L'[[informatique musicale]] s'est ainsi développée au même rythme que les capacités de calcul des ordinateurs. === L'acquisition === Pour le traitement numérique du son (traitement par un ordinateur), il faut procéder à une conversion analogique - 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 (signal)|échantillonnage]] du signal. Un [[microphone]] convertit les variations de pressions de l'air en signaux électriques qui, reliées a un convertisseur analogique-numérique ([[Convertisseur analogique-numérique|CAN]] ou ADC en [[anglais]], pour ''Analog to Digital Converter'') qui va [[Numérisation|numériser]] ce signal à pas régulier, le transformer en une suite de nombres. Ce travail est à présent réalisé par les [[carte son|cartes son]] des ordinateurs personnels. <!--Sans entrer dans les détails, voici un schéma qui donne les principales caractéristiques d'un filtre. <center> [[image:Fig_09.png]]<br /> Figure 9 : Filtre pratique et théorique.<br /> ''I : Filtre idéal''<br /> ''P : Filtre pratique''<br /> ''R : Ondulation''<br /> ''B : Bande passante efficace'' </center> Un filtre se comporte comme un manipulateur de signal et ceci a des effets à la fois sur la forme [[temporel]]le de l'onde et sur son spectre. Ainsi un signal carré à 100 Hz que l'on filtre à 200 Hz deviendra une sinusoïde à 100 Hz car on lui aura enlevé la partie supérieure de son spectre (voir figure 6c). De la même manière, une note de piano à 1000 Hz (Do 6) sonnera comme un vulgaire sifflet si elle est filtrée à 1200 ou 1500 Hz. La fréquence de base du signal est appelée fondamentale. Les autres sont des multiples de cette fondamentale et sont appelées [[harmonique]]s. Coté temporel, un filtre introduit aussi des modifications appelées [[distorsion]]s. Cela provient principalement du retard que prennent les harmoniques les unes par rapport aux autres. Afin d'illustrer l'influence d'un filtre sur un signal, considérons une simple impulsion carrée (figure 10a), l'amplitude de son spectre (figure 10b) et la phase de son spectre (figure 10c). Il se trouve que cette impulsion rectangulaire n'est rien d'autre qu'un filtre qui laisse passer le son à t=0 et le coupe après T secondes. Le spectre de l'impulsion représente la réponse en fréquence du filtre. On voit que plus la fréquence du signal est élevée, plus il y a de décalage entre les composantes alors que leur amplitude décroît. <center>[[image:Fig_10a.png]]<br /> Figure 10a : Signal temporel. ''Impulsion rectangulaire à t=0.'' [[image:Fig_10b.png]]<br /> Figure 10b : Spectre (Amplitude). [[image:Fig_10c.png]]<br /> Figure 10c : Spectre (Phase).</center> La figure 11 représente l'influence de notre filtre rectangulaire sur un signal simple comme une sinusoïde. <center>[[image:Fig_11a.png]]<br /> Figure 11a : Impulsion rectangulaire.<br /> ''Impulsion à t=0.'' [[image:Fig_11b.png]]<br /> Figure 11b : Impulsion sonore.</center> Le fait de couper de manière brutale le son au temps T introduit de nouvelles fréquences dans le spectre de la sinusoïde. Si le signal filtré est plus complexe comme le signal carré de la figure 6c, les différentes fréquences qui le composent seront de plus déphasées les unes par rapport aux autres (introduction d'un retard).--> <!--La figure 7 ci-dessous montre l'influence de l'échantillonnage sur un signal et son spectre qui est calculé par la [[transformée de Fourier]]. Les formules sont là pour les mathématiciens : <center>[[image:Fig_07a.png]] '''Figure 7a : Transformée Intégrale de Fourier.''' ''Infinie et continue en temps et en fréquence'' [[image:Fig_07b.png]] '''Figure 7b : Séries de Fourier.''' ''Périodique en temps et discrète en fréquence'' [[image:Fig_07c.png]] '''Figure 7c : Fonctions échantillonnées.''' ''Discrète en temps et périodique en fréquence'' [[image:Fig_07d.png]] '''Figure 7d : Transformée de Fourier discrète.''' ''Discrète et périodique en temps et en fréquence''</center> --> <!-- ==Conclusion== Ce tour d'horizon des aspects physiques, humains et techniques de l'acoustique donne une idée de l'ampleur des paramètres pouvant définir le son. Cela dit, l'appréciation de votre oreille reste quand même le critère ultime de détection de la qualité, sans être un appareil de mesure. Les chiffres donnés par les mathématiques ou des instruments de mesure sophistiqués peuvent être utiles pour comprendre pourquoi un enregistrement paraît bizarre, mais ils ne vous diront jamais si les Beatles ont fait de la meilleure musique que les Rolling Stones dans les années 60. --> == Voir aussi == === Articles connexes === * [[Bruit]], [[ultrason]], [[infrason]], * [[Onde]], [[Onde mécanique progressive]] ; * [[Vitesse du son]], [[Mur du son]] ; * [[Effet Doppler-Fizeau]] ; * [[Ingénieur du son]] ; * [[Sonothèque]] ; * [[Sonorisation]] ; * [[Brevet de technicien supérieur - Métiers de l'audiovisuel| Formation aux métiers du son]]. === Liens externes === * {{fr}} [http://membres.lycos.fr/audioprovence/bibliographie/son_1/son_1.html La nature du son] ; * {{fr}} [http://www.audio-maniac.com/son.html Audiomaniac - L'univers des sons et des effets sonores : La physique du son]. * {{fr}} [http://www.audiophile-scientifique.com/theorie-acoustique/technique-pure.htm Théorie Acoustique]. {{Portail|Physique|Musique}} <!-- A fusionner avec l'article onde --> <!-- La ''figure 1a'' montre comment un [[stylet]] attaché à une source de vibration, comme un [[haut-parleur]] par exemple, oscille et produit une onde, quand on fait défiler une bande de papier devant sa pointe. <center>[[image:Fig_01a.png]]</center> <center> ''z : Vibration du stylet d'une amplitude ±A0''<br /> ''λ (lambda) : Longueur de l'onde''<br /> ''x : Déplacement de la bande à la vitesse c''<br /> ''W : Onde résultante'' '''Figure 1a : Vibration d'un stylet sur une bande en déplacement''' </center> <center> [[image:Fig_01b.png]] ''P : Piston vibrant''<br /> ''T : Tube''<br /> ''t : temps'' '''Figure 1b: vibration d'un piston dans un fluide''' </center> --> <!-- Les graphiques ci-contre montrent quelques cas d'école et introduisent par la même occasion la notion de [[spectre]]. Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés [[partiel (acoustique)|]]s. Dans le cas d'un signal [[périodique]] [[stable]] comme une [[Avertisseur sonore|sirène]], le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée « raie » comme sur la figure 1. Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes. ''Voir à ce sujet l'article sur la [[transformée de Fourier]]''. [[image:Fig_06a.png]] ''Figure 1 : Sinusoïde pure (simple et périodique)'' [[image:Fig_06b.png]] ''Figure 2 : Combinaison de deux sinusoïdes'' [[image:Fig_06c.png]] ''Figure 3 : Signal carré (complexe mais périodique)'' [[image:Fig_06d.png]] ''Figure 4 : Signal aléatoire (complexe et non périodique)'' '''Figure 6 : Signaux sonores et leurs spectres''' --> [[Catégorie:Son|*]] [[af:Klank]] [[ar:صوت]] [[bg:Звук]] [[bn:শব্দ]] [[bs:Zvuk]] [[ca:So]] [[cs:Zvuk]] [[cy:Sain]] [[da:Lyd]] [[de:Schall]] [[el:Ήχος]] [[en:Sound]] [[eo:Sono]] [[es:Sonido]] [[et:Heli]] [[eu:Soinu]] [[fa:صدا]] [[fi:Ääni]] [[fiu-vro:Helü]] [[ga:Fuaim]] [[gan:聲氣]] [[gl:Son]] [[he:קול]] [[hr:Zvuk]] [[hu:Hang]] [[id:Bunyi]] [[io:Sono]] [[is:Hljóð]] [[it:Suono]] [[ja:音]] [[jbo:sance]] [[kn:ಶಬ್ದ]] [[ko:소리]] [[la:Sonus (physica)]] [[lt:Garsas]] [[lv:Skaņa]] [[mk:Звук]] [[ml:ശബ്ദം]] [[mr:आवाज (ध्वनी)]] [[ms:Bunyi]] [[ne:ध्वनि]] [[new:सः]] [[nl:Geluid]] [[nn:Lyd]] [[no:Lyd]] [[pl:Dźwięk]] [[pt:Som]] [[qu:Ruqyay]] [[ro:Sunet]] [[ru:Звук]] [[sh:Zvuk]] [[simple:Sound]] [[sk:Zvuk]] [[sl:Zvok]] [[sr:Звук]] [[su:Sora]] [[sv:Ljud]] [[ta:ஒலி]] [[te:ధ్వని]] [[th:เสียง]] [[tr:Ses (enerji)]] [[uk:Звук]] [[uz:Tovush]] [[vi:Âm thanh]] [[zea:Geluud]] [[zh:声音]] [[zh-yue:聲]]