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Les sons : fréquence, intensité et perception

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Introduction :

Tout signal sonore se propage avec une vitesse de propagation, dépendante du milieu de propagation, et se caractérise par sa fréquence et sa période. Cependant, tout signal sonore n’est pas obligatoirement perceptible par nos oreilles et n’est pas obligatoirement agréable à écouter et peut même être extrêmement dangereux.

Ce cours introduit tout d’abord le rôle de la fréquence dans la perception d’un signal sonore et présente l’échelle de fréquence, séparant les sons audibles des sons inaudibles pour l’oreille humaine. Il traite ensuite les deux natures que peut avoir un signal sonore et leur influence sur sa perception. Pour finalement traiter l’effet de l’intensité sur la perception d’un signal sonore et donc présenter l’échelle d’intensité sonore, séparant les sons inoffensifs des sons désagréables, voire dangereux.

La perception d’un signal sonore : le rôle de la fréquence

Tout comme les ondes électromagnétiques qui ne sont visibles que si leur fréquence est comprise entre 400 Térahertz et 770 Térahertz, les ondes sonores ne sont audibles pour l’homme que si leur fréquence est comprise entre 20 et 20 000 Hertz. En dessous de cette fréquence les ondes sonores sont des infrasons et au-dessus des ultrasons :

fréquence ondes sonores

Cette échelle n’est valable que pour l’oreille humaine. En effet, les éléphants et les taupes entendent parfaitement les infrasons tandis que les dauphins et les chauffe-souris entendent les ultrasons.

  • De plus, la fréquence détermine la tonalité du son. Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu et inversement, plus la fréquence est faible, plus le son est grave.
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À retenir

L’homme ne peut percevoir un son que si sa fréquence est comprise entre 20 et 20 000 Hertz.

Cependant, tous les sons audibles ne sont pas perçus de la même manière. La perception d’un son dépend fortement de plusieurs caractéristiques dont sa nature qui peut être pure ou complexe.

La perception d’un signal sonore : le rôle de sa nature

Un signal sonore peut être de deux natures soit un son pur ou un son complexe.

Un son pur

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Définition

Un son pur 

Un son pur, aussi appelé son simple, est une onde sonore parfaitement sinusoïdale et périodique ne possédant qu’une seule fréquence. Ainsi la fréquence, l’amplitude maximale et l’amplitude minimale restent constantes au cours du temps.

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Exemple

Un diapason émet un son pur de forme mathématique suivante :

Amplitude d’un son pur

Un son pur n’existe pas naturellement, seuls des appareils conçus par l’homme, tels que les diapasons sont capables d’en produire un.

Un son complexe

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Définition

Un son complexe :

Un son complexe est constitué de la superposition de plusieurs sons purs, c’est-à-dire de plusieurs signaux périodiques et ainsi son spectre est quelque peu complexe, voire aléatoire.

Soit le spectre d’un son composé ci-dessous, on pourrait en identifier plusieurs signaux périodiques. Et à chaque signal périodique, une fréquence y est attribuée :

 spectre d’un son composé

Sur ce graphe, chaque son pur composant le son complexe est représenté par un segment dont l’abscisse est sa fréquence et l’ordonnée est son amplitude. La fréquence du signal sonore pur avec la plus grande amplitude est appelée fréquence fondamentale, les autres fréquences du son complexe sont dites les harmoniques. De plus, les fréquences des harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.

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Définition

Hauteur d’un son :

La hauteur d’un son, exprimée en Hertz (Hz\text{Hz}), est sa fréquence fondamentale. C’est la hauteur du son qui permet de déterminer sa tonalité, c’est-à-dire si un son est aigu ou grave.

Ainsi, si la fréquence fondamentale d’un son est comprise entre 20 et 200 Hertz, le son est dit grave et si la fréquence fondamentale est comprise entre 2 000 et 20 000 Hertz, le son est dit aigu.

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Définition

Timbre d’un son :

Le timbre d’un son est l’identité même du son et de comment il est perçu. En effet, c’est grâce au timbre qu’on peut distinguer un do joué au piano d’un do joué au violon. Même si ces deux sons ont la même fréquence fondamentale, ils diffèrent par leurs harmoniques.

Ainsi le timbre dépend de l’importance des fréquences des harmoniques. Moins un son possède d’harmoniques plus il est perçu comme « terne ».

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À retenir

Un son complexe est la somme de plusieurs sons pur. Le son pur qui possède la plus grande amplitude détermine la fréquence fondamentale et la hauteur, tandis que les autres sons purs, sont les harmoniques et déterminent le timbre.

La perception d’un signal sonore : le rôle de l’intensité sonore

En plus de sa nature, la perception d’un son dépend fortement de l’amplitude donc de son intensité et par conséquent de son niveau d’intensité.

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Définition

Intensité sonore :

L’intensité sonore est la grandeur qui caractérise la puissance d’un son. Plus l’amplitude d’un signal sonore est élevée, plus son intensité sonore sera élevée.

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Définition

Niveau d’intensité sonore :

Le niveau d’intensité sonore, exprimé en décibels (dB\text{dB}), est la grandeur directement déduite de l’intensité sonore permettant de créer une échelle facilement exploitable.

L’échelle de niveaux d’intensité sonores ci-dessous, montre qu’un son est audible quand son niveau d’intensité sonore est supérieur à 0 et qu’il commence à être fatiguant pour l’oreille humaine quand son niveau d’intensité sonore dépasse 60 décibels. Puis à partir de 90 décibels, le son devient dangereux jusqu’à être douloureux et entraîne des dommages irréversibles si le niveau d’intensité sonore dépasse 120 décibels.

L’échelle de niveaux d’intensité sonores

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Exemple

Les personnes qui travaillent dans un environnement bruyant, s’équipent de casque anti-bruit pour limiter le danger que représente pour leurs oreilles, une exposition prolongée au bruit.

Conclusion :

Bien que la vitesse d’une onde sonore dépende uniquement du milieu de propagation, la perception d’une onde sonore par nos oreilles, quant à elle dépend de toutes ses caractéristiques : de sa nature (son pur ou complexe), de son spectre (sa hauteur et son timbre) et de son intensité.