III. Caractéristiques d'un son
Un son peut être caractérisé à l'aide de trois paramètres:
-La hauteur
-L'intensité
-Le timbre
A. La hauteur
La hauteur d'un son correspond au caractère "aigu" ou "grave" de celui-ci : plus un son a une hauteur importante , plus il est aigu ; plus il a une hauteur faible , plus il est grave.
La hauteur correspond à la fréquence d'une onde sonore.
L'humain est , en théorie , capable de percevoir les sons ayant une fréquence comprise entre 20Hz et 20kHz soit 20 000 Hertz. En dessous de 20Hz , on parle d' infrasons et au-dessus de 20kHz on parle d' ultrasons.
En réalité la plage de fréquences audibles est différente d'une personne à l'autre ; elle se modifie même avec l'âge ( comme on le verra plus tard ? ). L'entraînement joue aussi un rôle dans la capacité à percevoir un grand nombre de fréquences sonores.
exemple de son aigu, ayant une fréquence élévée :
exemple de son grave, ayant une fréquence faible :
B. L'intensité
1. Pression acoustique
L’intensité d’un son, dont l'unité est le déciBel noté dB, exprime le rapport de puissance défini comme dix fois le logarithme décimal entre pression acoustique (l’amplitude de la variation de la pression atmosphérique, donc du son capté par le tympan) et une valeur de référence :
L = 10 log(P1/P0).
La valeur de référence P0 correspond à une variation de pression, sur la fréquence f’= 1KHz, tellement faible que ce son n’est pas audible chez l’Homme.
Ainsi L = 0 dB n’équivaut pas à aucun bruit mais au son minimum perceptible par l'oreille humaine , appelé seuil d’audibilité. L’oreille humaine perçoit les sons ayant une pression acoustique comprise entre 20 µPa et 200 Pa ce qui équivaut à 0 dB et 140 dB environ.
Cela dépend toutefois de chaque individu, tous n'ont pas la capacité à supporter l'intensité d'un son.
La pression acoustique est en fait la valeur de la surpression du milieu de propagation du son correspondant à l'onde sonore. Elle s’exprime donc, comme la pression atmosphérique, en Pascal (noté Pa) . Le niveau de référence 0 dB vaut P0 = 2*10-5 Pa ou 20 µPa.
Le déciBel est 1/10 de Bel, il est très rarement employé contrairement au déciBel car peu de sons ont une inténsité supérieure à 100 déciBel.
Mais la variation de la pression dans l'air ou le milieu de propagation en général n’est pas la seule manière de calculer l’intensité acoustique.
En effet la variation de la pression dans le milieu n’est autre que le champ de déplacement (d'oscillation) des particules de ce milieu lorsqu'elles transmettent l'onde sonore/la vibration acoustique.
Les particules du milieu se mettent à osciller car elles obtiennent de l’énergie (transmise par d'autres particules, et qu'elles transmettent aux autres, voir partie I) , dont l’unité est le Watt.
L’intensité d’un bruit peut donc aussi se définir de la façon suivante :
L = 10 log(W1/W0).
Avec W1 qui exprime l’énergie mécanique fournie à une particule du milieu en un point donné lorsque cette particule transmet l'onde sonore. Et W0 = 10-12 W, qui est le seuil d’audibilité.
La perception acoustique étant définie sur une échelle logarithmique, lorsque qu’on multiplie par deux la cause du son, l’intensité du son elle augmente de 3 dB seulement. Et non pas lorsque que l’on multiplie le son par deux car le son est la perception (voir introduction de la partie), c’est ce que l’on entend et dont l'intensité est définie en déciBel, or « la cause » correspond ici à l’énergie mécanique de la vibration ou le nombre de sources sonores émettant un son identique. Par exemple si l’on quadruple la force avec laquelle les particules sont « bousculées » par une vibration acoustique, l’intensité du son que l’on perçoit augmentera de 6 dB. Et de la même manière, un son d’intensité 23 dB correspond à une énergie deux fois plus importante qu’un son de seulement 20 dB.
Il existe 4 types de déciBel.
Le premier est le dB SPL (pour Sound Pressure Level), il exprime la pression acoustique, c’est celui défini plus tôt. C’est celui qui est couramment utilisé pour caractériser une onde sonore.
Ensuite vient le dB SIL (pour Sound Intensity Level). Il indique la direction de la propagation d’une onde ; si l’onde est statique, le dB SIL équivaut à 0.
Le dB SWL (pour Sound Power Level), qui sert à définir la source d’un son. Il est rès utilisé pour les machines destinées à être en intérieur.
Le dernier est le dB A, ou dB(A). C’est l’évaluation d’une onde sonore comme elle est perçu par un être humain ayant une audition considérée comme normale : elle est donc définie dans un intervalle bien précis.
Il existe par ailleurs une autre pondération, nommée dB C qui est spécifique aux sons forts.
La pondération A est la plus courante de tous lorsque qu’il est question de rapport avec l’être humain car deux sons donnent la même valeur en dB SPL s'ils correspondent à la même pression acoustique, qu'ils soient graves ou aigus. Il est donc important de bien faire la différence, et c’est le dB A qui remplit cette fonction.
Le sonomètre est l’instrument qui permet de mesurer le niveau de pression acoustique. Il est utilisé pour des mesures ponctuelles contrairement au dosimètre de bruit ou exposimètre qui peut être porté par un salarié pendant une durée prolongée, afin d'évaluer ses conditions de travail.
2. Energie mécanique
3. La variété des dB
4. Mesure en dB
image d'un sonomètre
image d'un exposimètre porté par un ouvrier
Le timbre d'un son constitue l'identité d'un son ; ce qui nous permet de le différencier des autres dans la vie courante.
Car les ondes sonores présentées depuis le début de cet écrit sont des ondes sinusoïdales parfaites , correspondant à des sons "purs" , le type de son le plus simple pouvant exister , et qui n'existe pas dans la nature : seuls des appareils éléctroniques peuvent produire de tels sons , et ils ne sont jamais parfaits.
C. Le timbre
Un son pur est représenté par une courbe sinusoïdale parfaite. Il n'est composé que d'une fréquence.
Voici la visualisation d'un son pur d'une fréquence de 440 Hz sur un analyseur de spectre ; l'axe des ordonnées représente l'amplitude ou intensité du signal ; l'axe des abscisses correspond à la fréquence en Hertz . Ainsi le son pur ne contient qu'une fréquence sonore (ou presque , il est impossible d'obtenir un son pur parfait) , qui est représentée ici par un "pic" d'intensité pour 440 Hz , pic dont la hauteur est proportionnelle à l'amplitude de l'onde.
Les ondes sonores , tout comme les vagues, interagissent lorsqu'elles entrent en contact. Les sons que nous entendons dans la nature sont constitués de plusieurs ondes sonores interagissant entre elles, se mêlant ; se sont des sons complexes .
Une note de musique jouée par un instrument , ou une voyelle prononcée par quelqu'un , sont des sons complexes. Ces sons complexes ne sont pas constitués d'une mais de plusieurs fréquences. La courbe représentant un son complexe n'est pas sinusoïdale.
représentation graphique d'un son complexe
Voici maintenant le son complexe représenté ci-dessus, visualisé sur un analyseur de spectre :
On voit clairement que ce son est composé de différentes fréquences sonores d'intensités différentes.
C'est au XIXe siècle que le physicien et mathématicien français Joseph Fourier a découvert qu'un son complexe pouvait être décomposé en une succession de sons purs, appelés alors Harmoniques.
Voici le spectre d'un son de 440 Hz joué par un instrument. C'est, comme tous les sons courants, un son complexe.
On Peut voir ici que la fréquence 440Hz domine en intensité sur les autres fréquences . On appelle alors la fréquence 440Hz la note fondamentale (c'est pour un instrument la note qui est jouée). Les autres fréquences présentes sont les harmoniques.
Les harmoniques sont des multiples de la fréquence fondamentale. Les harmoniques et la fréquence fondamentale , prises séparément ,correspondent chacune à une onde sonore représentable par une fonction sinusoïdale. Or dans un son complexe elles sont produites simultanément et sont mélees. Les séries de Fourier, permettant d'identifier les sons purs composant un son complexe, sont trop complexes pour que nous puissions les comprendre. Néanmoins nous savons que la fonction représentant un son complexe est "tout simplement" l'addition des fonctions représentant sa fréquence fondamentale et ses harmoniques. Nous ne nous étendrons pas sur ce point car nous n ele maîtrisons pas assez.
Le mélange formé par les harmoniques et la fréquence fondamentale forment le son et lui donnent son identité. Notre oreille interne va en effet capter simultanément toutes les différentes fréquences composant un son et transmettre ces informations au cerveau ; c'est ce qui nous permet de reconnaître différents instruments jouant une même note. Ainsi, si une note de musique à 440 Hz était un son pur, nous ne pourrions faire de différence entre les instruments.
