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Le son, phénomène vibratoire

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Caractéristiques physiques d’une onde sonore

  • Le son provient d’une vibration.
  • La vibration est transmise au milieu ambiant qui s’en trouve déformé.
  • La déformation se propage de molécule en molécule, jusqu’à ce que celles-ci reprennent leur état de repos.
  • Pour accorder un instrument de musique, on utilise un diapason car il émet un son pur (fréquence et amplitude constantes).
  • La sinusoïde est la représentation graphique du son. Elle dépend de plusieurs paramètres : la période (durée d’un motif élémentaire), la fréquence (répétition d’un motif élémentaire par seconde) et l’amplitude (la plus grande oscillation d’une onde).
  • Au quotidien, la plupart des sons qui nous parviennent sont des sons complexes : ils sont composés de plusieurs sons purs de fréquence et d’amplitude différentes.
  • La représentation spectrale d’un son complexe permet de faire apparaître directement la fréquence et l’intensité de chaque son pur qui le compose.
  • Pour déterminer la hauteur d’un son (aigue, grave), on identifie la fréquence fondamentale (plus basse fréquence de l’analyse).
  • Pour déterminer le timbre, on identifie les harmoniques (multiples entiers de la fréquence fondamentale).

Perception et utilisation des ondes sonores

  • L’intensité sonore (son plus ou moins fort) est liée à l’amplitude de l’onde sonore et correspond à la puissance acoustique par unité de surface.
  • Elle s’exprime en watt par mètre carré (W.m2\text{W.m}^{-2}) et de note I\text I.
  • L’intensité sonore perçue par l’oreille humaine dépend de l’intensité sonore de la source, de la distance entre la source et l’oreille et du milieu et des obstacles traversés par l’onde sonore.
  • L’intensité sonore perçue par l’oreille dépend également de la fréquence, d’où la différence de perception entre un son aigu et un son grave.
  • Le niveau d’intensité sonore s’exprime en décibels (dB\text{dB}) et se note « L\text L ». Son calcul s’exprime de la manière suivante : L=10log1I0\text L =10\text{log}\dfrac{1}{\text I_0}.
  • Le seuil minimum de perception par l’oreille humaine se situe à un niveau d’intensité sonore correspondant à 0dB0\,\text{dB} ; le seuil de douleur se situe à un niveau d’intensité sonore correspondant à 130dB130\,\text{dB}
  • En modifiant certaines caractéristiques de ces instruments de musique, les paramètres des ondes sonores s’en trouvent également modifiés.
  • La fréquence du son émis par une corde vibrante :
  • diminue quand sa masse linéique notée μ\mu augmente (plus une corde de guitare est grosse, plus le son est grave) ;
  • augmente quand sa tension augmente (plus une corde est tendue, plus le son est aigu) ;
  • augmente quand sa longueur diminue (moins un corde est longue, plus le son est aigu).
  • Pour les instruments à vent, le son est produit par les vibrations de l’air contenu dans un « tuyau » (le corps de l’instrument).
  • Les dimensions du « tuyau » et le matériau de fabrication influencent le timbre de l’instrument.
  • Les hauteurs des sons d’instruments de la même famille (timbre similaire) varient en fonction du volume de l’instrument : plus le volume est grand plus la fréquence de propagation est basse.