Le son, phénomène vibratoire

A

Un phénomène vibratoire

Le son est une onde que nous percevons grâce à notre ouïe. Il s'agit d'un phénomène vibratoire qui ne peut se propager que dans un milieu matériel. Ce milieu subit au passage de l'onde sonore de légères variations de pression.

Lorsqu'il est suffisamment prolongé dans le temps et inchangé, on peut lui associer une fréquence f.

B

Les sons purs et les sons composés

Un son est dit pur si celui-ci est associé à un signal périodique de fréquence f correspondant à une courbe sinusoïdale. En revanche, un son est dit composé lorsqu'il est associé à un signal périodique non sinusoïdal. On peut alors le décomposer en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences différentes, toutes multiples d'une fréquence f dite fondamentale. Les fréquences multiples sont appelées harmoniques.

A

L'intensité sonore

Les sons perçus sont caractérisés par une intensité sonore, notée I. C'est une grandeur exprimée en watts par mètre carré (W·m^‑2) correspondant à la puissance transportée par unité de surface.

B

Le niveau d'intensité sonore

Toutefois, pour comparer les intensités sonores entre elles, il est plus commode de faire appel à la notion de niveau d'intensité sonore, noté L, et exprimée en décibels (dB) selon une échelle logarithmique.

Pour passer d'un niveau d'intensité sonore L à une intensité I et vice versa, on utilise un graphique semi-logarithmique ou les deux relations mathématiques ci-contre.

En musique, certains instruments se servent des propriétés vibratoires des cordes tendues pour produire des sons. Une fois pincées, frappées ou frottées, ces cordes se mettent à vibrer à une fréquence f appelée fréquence fondamentale, proportionnelle à l'inverse de la longueur l de la corde.

Par analogie, les instruments à vent produisent des sons grâce aux vibrations de colonnes d'air. La fréquence fondamentale des sons produits est cette fois-ci proportionnelle à l'inverse de la hauteur des tubes.

L'analyse sonore a permis l'avènement de la musique synthétique, la génération de sons de diverses fréquences étant possible à volonté.

La vitesse de propagation du son dans l'air est de 340 m·s^-1. Dans un autre milieu tel que l'eau, il peut se propager beaucoup plus rapidement, à environ 1 500 m·s^-1.

L'analyse spectrale des sons se base sur les travaux du mathématicien Joseph Fourier : les séries de Fourier. Il les a créées au début du XIX^e siècle mais il a fallu plus d'un siècle pour leur trouver une application.

Lorsqu'une source sonore produit un son dans un milieu homogène sans obstacle, la figure géométrique formée par le déplacement de l'énergie dans le milieu est une sphère.

L'intensité sonore I et le niveau d'intensité sonore L sont liés par les relations suivantes :

Avec pour ces deux relations :

Son pur : son dont l'analyse spectrale ne fait apparaître que le fondamental. Sa représentation au cours du temps est une sinusoïde.

Son composé : son où le signal est périodique non sinusoïdal, son qui n'est pas pur. Il peut être décomposé en une succession de sons purs (harmoniques).

Fréquence fondamentale : ou harmonique de rang 1, fréquence du premier harmonique d'un son composé.

Fréquence harmonique : fréquence multiple de la fréquence fondamentale.

Intensité sonore : puissance transportée par unité de surface, exprimée en W·m^-2.

Niveau d'intensité sonore (ou niveau sonore) : amplitude de mouvement de vibration du son, que l'on mesure en décibels (dB).