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L’intensité sonore
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Introduction :
De tout temps, la meilleure communication entre les êtres humains mais aussi entre la plupart des espèces animales passe par la communication orale, de nature sonore. Ces sons, qu’ils s’agissent de bruits ou de paroles, sont omniprésents dans notre vie, cependant ils ne sont pas toujours aussi inoffensifs qu’on pourrait le croire.
Nous présenterons dans ce cours les généralités sur les propriétés des ondes acoustiques, puis nous détaillerons la notion de niveau sonore, qui est une grandeur physique permettant de décrire une échelle sonore. Enfin, nous verrons la capacité qu’ont les différents milieux de propagation à atténuer le son.
Aspect énergétique d’une onde acoustique
Caractéristiques physique d’une onde acoustique
Comme vu en classe de seconde, les ondes sonores sont des ondes mécaniques qui peuvent se propager uniquement dans un milieu matériel et fluide. Elles permettent de transmettre des messages, avec transport d’énergie mais sans déplacement de matière.
Les sons audibles par l’être humain ont une fréquence comprise entre (sons graves) et (sons aigus). Au-delà de cette tranche de fréquences audibles on parle d’ultrasons et en-deçà de la tranche de fréquences audibles on parle d’infrasons.
La science traitant les ondes sonores, leur propagation, leur interaction avec les milieux matériels et leurs caractéristiques est l’acoustique.
Un son pur est représenté comme une onde acoustique parfaitement sinusoïdale et périodique :
Source ponctuelle :
Une source est dite ponctuelle lorsque son émission est localisée en un point.
Nous pouvons observer que la propagation d’une onde sonore se fait de manière sphérique car elle se développe dans un milieu homogène et sans obstacle, permettant à l’onde d’une source idéale de se propager de façon isotrope dans toutes les directions. De plus, sur notre schéma, nous pouvons voir que l’onde se dilate puis se comprime à des intervalles de temps réguliers. Elle se propage donc dans le sens de la compression-dilatation.
Les paramètres du son, tels que la période , la fréquence , la célérité ou encore la longueur d’onde , vont dépendre de la source sonore, du récepteur et du milieu matériel dans lequel l’onde se propage.
À pression atmosphérique et à une température ambiante de , la célérité de l’onde dans l’eau est égale à , alors que dans l’air elle est égale à .
Puissance et intensité acoustique
La puissance acoustique de la source sonore, exprimée en watt , est une grandeur physique caractéristique de la source.
Intensité acoustique :
L’intensité acoustique , exprimée en , est la grandeur qui caractérise l’énergie produite de l’onde acoustique, c’est-à-dire sa puissance par unité de surface.
Elle se calcule par le ratio de la puissance sur la surface perpendiculaire à la propagation du son :
Avec :
L’intensité acoustique perçue par l’oreille humaine dépend de la puissance acoustique de la source mais aussi de la distance entre le récepteur et la source.
L’intensité acoustique perçue par l’oreille dépend également du milieu et des obstacles traversés par l’onde sonore et de la fréquence, d’où la différence de perception entre un son aigu et un son grave.
Soit un haut-parleur émettant un son avec une puissance de . Quelle sera l’intensité acoustique perçue par un danseur qui se trouve à de l’haut-parleur ?
est la surface de la sphère de rayon , car la source sonore est ponctuelle, c’est-à-dire localisée en un point.
Le niveau d’intensité sonore
L’intensité acoustique d’un son est donc une grandeur importante mais difficilement mesurable et peu exploitable dans l’état, notamment à cause de ses petites valeurs qui ne permettent pas de décrire une échelle de l’intensité. Pour remédier à cela, une échelle logarithmique a été créée, c’est le niveau d’intensité sonore.
Niveau d’intensité sonore :
Le niveau d’intensité sonore est une grandeur physique exprimée en décibel et se définit par la formule suivante : Avec :
La fonction logarithme décimale nous dit que, si un réel strictement positif et un réel, alors :
Le niveau d’intensité sonore est donc une grandeur positive et son échelle permet d’identifier les sons fatigants , les sons dangereux voire douloureux et les sons entraînant des dommages irréversibles pour l’être humain.
Un niveau sonore de commence à être dangereux pour le danseur. Sans protection, il ne lui est pas conseillé de rester trop longtemps exposé à ce son.
L’atténuation
Une onde sonore est émise avec une certaine puissance caractéristique de la source sonore. Elle se propage ensuite dans le milieu matériel pour atteindre le récepteur. Cependant, pendant sa trajectoire une onde acoustique perd une partie de son énergie, c’est le phénomène d’atténuation acoustique.
Atténuation acoustique :
L’atténuation acoustique est une grandeur physique, exprimée en décibel , correspondant à la diminution de la puissance de l’onde sonore entre son émission et sa réception.
Atténuation acoustique géométrique
L’atténuation acoustique est dite géométrique si la diminution de la puissance de l’onde est due à la distance entre la source et le récepteur. Plus cette distance est importante, plus l’intensité de l’onde acoustique se diffuse sur une plus grande surface et donc plus l’intensité sera moins concentrée et faible en tout point.
En effet la sensation ne sera pas la même si on se tient à ou mètres d’une machine bruyante.
Soit un haut-parleur émettant un son de puissance , un premier observateur se situe à de la source tandis qu’un autre observateur se tient à de la source.
Soient l’intensité ressentie par l’observateur 1 et son niveau d’intensité, et l’intensité ressentie par l’observateur 2 et son niveau d’intensité :
Cette différence d’intensité sonore observée entre les deux observateurs se traduit par une différence de niveau d’intensité sonore :
Atténuation acoustique par absorption
L’atténuation acoustique est dite par absorption, si la diminution de la puissance de l’onde est due à la transformation d’une partie de l’énergie mécanique en une énergie thermique grâce aux frottements, et suite à son absorption par les molécules du milieu de propagation ou par une paroi.
Conclusion :
Les ondes sonores sont donc audibles par l’être humain pour une fréquence comprise entre et et peuvent devenir dangereuses si le niveau sonore excède .
Si on veut se protéger d’un son fatigant ou dangereux, l’éloignement physique permet de l’atténuer. C’est le principe de l’atténuation acoustique géométrique. Quand cela n’est pas possible, l’utilisation de matériaux absorbants permettent aussi de s’en protéger. C’est le principe de l’atténuation acoustique par absorbance.