Sonner. Quand un tambour est frappé, la peau du tambour vibre et les vibrations sont transmises dans l'air sous forme d'ondes. Quand ils frappent l'oreille, ces ondes produisent la sensation du son. Il y a aussi un son qui ne peut pas être entendu, cependant :infrasons, en dessous de la portée de l'audition humaine, et échographie, au-dessus de la portée de l'audition humaine.
Termes utilisés dans l'étude du son L'acoustique est la science du son et de ses effets sur les personnes. La condensation est une région d'une onde sonore dans laquelle le milieu sonore est plus dense que la normale. Le décibel (dB) est l'unité utilisée pour mesurer l'intensité de un son. Un 3, La tonalité de 000 hertz de 0 dB est le son le plus doux qu'une oreille humaine normale puisse entendre. La fréquence d'un son est le nombre d'ondes sonores qui passent à un point donné chaque seconde. Hertz est l'unité utilisée pour mesurer la fréquence des ondes sonores. Un hertz équivaut à un cycle (vibration, ou onde sonore) par seconde. L'intensité d'un son est une mesure de la puissance de ses ondes. L'intensité fait référence à la force d'un son lorsque nous l'entendons. Le bruit est un son désagréable, énervant, et distrayant.La hauteur est le degré d'intensité ou de gravité d'un son tel que nous l'entendons.La raréfaction est une région d'une onde sonore dans laquelle la densité du support sonore est inférieure à la normale.La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle un objet vibrer naturellement s'il est dérangé. Le médium sonore est une substance dans laquelle les ondes sonores se déplacent. Air, par exemple, est un médium sonore. Qualité sonore, aussi appelé timbre, est une caractéristique des sons musicaux. La qualité sonore distingue les notes de même fréquence et intensité produites par différents instruments de musique. au-dessus de 20, 000 hertz. La longueur d'onde est la distance entre n'importe quel point d'une onde et le point correspondant de l'onde suivante.Techniquement, le son est défini comme une perturbation mécanique se déplaçant à travers un milieu élastique, un matériau qui a tendance à revenir à son état d'origine après avoir été déformé. Le milieu n'a pas besoin d'être de l'air; métal, bois, calcul, un verre, l'eau, et bien d'autres substances conduisent le son, beaucoup d'entre eux mieux que l'air.
Il existe de très nombreuses sources sonores. Les types familiers incluent la vibration des cordes vocales d'une personne, cordes vibrantes (piano, violon), une colonne d'air vibrante (trompette, flûte), et les solides vibrants (une porte quand quelqu'un frappe). Il est impossible de tous les énumérer, car tout ce qui perturbe un milieu élastique (comme, par exemple, un pétard qui explose dans l'air environnant) est une source de son.
Le son peut être décrit en termes de hauteur (du grondement sourd d'un tonnerre lointain au bourdonnement aigu d'un moustique) et d'intensité sonore. Tonalité et volume, cependant, sont des qualités subjectives ; ils dépendent en partie du sens de l'ouïe de l'auditeur. Objectif, les qualités mesurables du son comprennent la fréquence et l'intensité, qui sont liés à la hauteur et à l'intensité sonore. Ces termes, ainsi que d'autres utilisés pour discuter du son, sont mieux comprises par un examen des ondes sonores et de leur comportement.
Vitesse du son dans divers médiumsMoyenneVitesse en pieds par secondeVitesse en mètres par secondeAir à 59 degrés F. (15 degrés C) 1, 116340Aluminium 16, 0005, 000Brique 11, 9803, 650 Eau distillée à 77 degrés F. (25 degrés C) 4, 9081, 496Verre 14, 9004, 540Eau de mer à 77 degrés F. (25 degrés C) 5, 0231, 531Acier 17, 1005, 200Bois (érable) 13, 4804, 110Contenu
Air, comme toute matière, se compose de molécules. Même une petite région de l'air contient un grand nombre de molécules d'air. Les molécules sont en mouvement constant, voyager au hasard et à grande vitesse. Ils entrent constamment en collision et rebondissent les uns sur les autres et frappent et rebondissent sur des objets en contact avec l'air.
Un objet vibrant produira des ondes sonores dans l'air. Par exemple, quand la tête d'un tambour est frappée avec un maillet, la peau du tambour vibre et produit des ondes sonores. La peau de tambour vibrante produit des ondes sonores car elle se déplace alternativement vers l'extérieur et l'intérieur, pousser contre, puis s'éloigner de, l'air à côté. Les molécules d'air qui frappent la peau du tambour pendant qu'elle se déplace vers l'extérieur rebondissent avec plus que leur énergie et vitesse normales, avoir reçu une poussée de la peau de tambour. Ces molécules plus rapides se déplacent dans l'air environnant. Pour un moment, donc, la région à côté de la peau du tambour a une concentration de molécules d'air supérieure à la normale - elle devient une région de compression. Au fur et à mesure que les molécules se déplaçant plus rapidement dépassent les molécules d'air dans l'air environnant, ils entrent en collision avec eux et transmettent leur énergie supplémentaire. La région de compression se déplace vers l'extérieur à mesure que l'énergie de la peau de tambour vibrante est transférée à des groupes de molécules de plus en plus éloignés.
Les molécules d'air qui frappent la peau du tambour pendant qu'elle se déplace vers l'intérieur rebondissent avec moins que leur énergie et leur vitesse normales. Pour un moment, donc, la région à côté de la peau du tambour a moins de molécules d'air que la normale - elle devient une région de raréfaction. Les molécules entrant en collision avec ces molécules plus lentes rebondissent également avec moins de vitesse que la normale, et la région de raréfaction se déplace vers l'extérieur.
La nature ondulatoire du son devient apparente lorsqu'un graphique est tracé pour montrer les changements dans la concentration des molécules d'air à un moment donné lorsque les impulsions alternées de compression et de raréfaction passent ce point. Le graphique pour un seul ton pur, tel que celui produit par un diapason. La courbe montre les changements de concentration. Cela commence, arbitrairement, à un moment où la concentration est normale et une impulsion de compression vient d'arriver. La distance de chaque point de la courbe par rapport à l'axe horizontal indique à quel point la concentration varie par rapport à la normale.
Chaque compression et la raréfaction suivante constituent un cycle. (Un cycle peut également être mesuré à partir de n'importe quel point de la courbe jusqu'au prochain point correspondant.) La fréquence d'un son est mesurée en cycles par seconde, ou hertz (en abrégé Hz). L'amplitude est la plus grande quantité par laquelle la concentration de molécules d'air varie par rapport à la normale.
La longueur d'onde d'un son est la distance parcourue par la perturbation pendant un cycle. Elle est liée à la vitesse et à la fréquence du son par la formule vitesse/fréquence =longueur d'onde. Cela signifie que les sons à haute fréquence ont des longueurs d'onde courtes et que les sons à basse fréquence ont des longueurs d'onde longues. L'oreille humaine peut détecter des sons avec des fréquences aussi basses que 15 Hz et aussi élevées que 20, 000Hz. A l'air calme à température ambiante, les sons avec ces fréquences ont des longueurs d'onde de 75 pieds (23 m) et 0,68 pouce (1,7 cm) respectivement.
L'intensité fait référence à la quantité d'énergie transmise par la perturbation. Elle est proportionnelle au carré de l'amplitude. L'intensité est mesurée en watts par centimètre carré ou en décibels (db). L'échelle des décibels est définie comme suit :Une intensité de 10 à 16 watts par centimètre carré équivaut à 0 db. (Écrit sous forme décimale, 10-16 apparaît comme 0,00000000000000001.) Chaque multiplication par dix en watts par centimètre carré signifie une augmentation de 10 dB. Ainsi, une intensité de 10-15 watts par centimètre carré peut également être exprimée en 10 db et une intensité de 10-4 (ou 0,0001) watts par centimètre carré en 120 db.
L'intensité du son diminue rapidement avec l'augmentation de la distance de la source. Pour une petite source sonore rayonnant de l'énergie uniformément dans toutes les directions, l'intensité varie en raison inverse du carré de la distance à la source. C'est-à-dire, à une distance de deux pieds de la source, l'intensité est d'un quart de ce qu'elle est à une distance d'un pied; à trois pieds il n'est qu'un neuvième aussi grand qu'à un pied, etc.
La hauteur dépend de la fréquence ; en général, une montée en fréquence provoque une sensation de hauteur tonale. La capacité de distinguer deux sons proches en fréquence, cependant, diminue dans les parties supérieure et inférieure de la gamme de fréquences audibles. Il existe également des variations d'une personne à l'autre dans la capacité de faire la distinction entre deux sons ayant à peu près la même fréquence. Certains musiciens qualifiés peuvent détecter des différences de fréquence aussi faibles que 1 ou 2 Hz.
En raison du fonctionnement du mécanisme auditif, la perception de la hauteur est également affectée par l'intensité. Ainsi, lorsqu'un diapason vibrant à 440 Hz (la fréquence du la au-dessus du do médian au piano) est rapproché de l'oreille, un ton légèrement plus grave, comme si la fourche vibrait plus lentement, est entendue.
Lorsque la source d'un son se déplace à une vitesse relativement élevée, un auditeur immobile entend un son plus aigu lorsque la source se déplace vers lui, et un son plus grave lorsque la source s'éloigne. Ce phénomène, connu sous le nom d'effet Doppler, est due à la nature ondulatoire du son.
En général, une augmentation de l'intensité provoquera une sensation d'augmentation du volume. Mais le volume n'augmente pas en proportion directe de l'intensité. Un son de 50 dB a dix fois l'intensité d'un son de 40 dB, mais n'est que deux fois plus fort. L'intensité double à chaque augmentation de 10 dB d'intensité.
La sonie est également affectée par la fréquence, car l'oreille humaine est plus sensible à certaines fréquences qu'à d'autres. Le seuil d'audition - la plus faible intensité sonore qui produira la sensation d'audition pour la plupart des gens - est d'environ 0 dB dans le 2, 000 à 5, Gamme de fréquences 000 Hz. Pour les fréquences inférieures et supérieures à cette plage, les sons doivent avoir une plus grande intensité pour être entendus. Ainsi, par exemple, un son de 100 Hz est à peine audible à 30 dB; un son de 10, 000 Hz est à peine audible à 20 dB. À 120 à 140 dB, la plupart des gens ressentent un inconfort physique ou une douleur réelle, et ce niveau d'intensité est appelé le seuil de la douleur.
La vitesse du son dépend de l'élasticité et de la densité du milieu dans lequel il se déplace. En général, le son voyage plus vite dans les liquides que dans les gaz et plus vite dans les solides que dans les liquides. Plus l'élasticité est grande et plus la densité est faible, le son plus rapide voyage dans un milieu. La relation mathématique est vitesse =(élasticité/densité).
L'effet de l'élasticité et de la densité sur la vitesse du son peut être observé en comparant la vitesse du son dans l'air, hydrogène, et fer. L'air et l'hydrogène ont à peu près les mêmes propriétés élastiques, mais la densité de l'hydrogène est moindre que celle de l'air. Le son voyage donc plus vite (environ 4 fois plus vite) dans l'hydrogène que dans l'air. Bien que la densité de l'air soit bien inférieure à celle du fer, l'élasticité du fer est beaucoup plus grande que celle de l'air. Le son voyage donc plus vite (environ 14 fois plus vite) dans le fer que dans l'air.
La vitesse du son dans un matériau, notamment dans un gaz ou un liquide, varie avec la température car un changement de température affecte la densité du matériau. Dans les airs, par exemple, la vitesse du son augmente avec l'augmentation de la température. À 32 °F. (0°C.), la vitesse du son dans l'air est de 1, 087 pieds par seconde (331 m/s) ; à 68 °F. (20 °C), il est 1, 127 pieds par seconde (343 m/s).
Les termes subsonique et supersonique font référence à la vitesse d'un objet, comme un avion, rapport à la vitesse du son dans l'air ambiant. Une vitesse subsonique est inférieure à la vitesse du son ; une vitesse supersonique, au-dessus de la vitesse du son. Un objet se déplaçant à une vitesse supersonique produit des ondes de choc plutôt que des ondes sonores ordinaires. Une onde de choc est une onde de compression qui, lorsqu'il est produit dans l'air, peut généralement être entendu comme un bang sonique.
Les vitesses des objets supersoniques sont souvent exprimées en nombre de Mach, soit le rapport entre la vitesse de l'objet et la vitesse du son dans l'air environnant. Ainsi, un objet se déplaçant à Mach 1 se déplace à la vitesse du son; à Mach 2, il se déplace à deux fois la vitesse du son.
Comme les ondes lumineuses et autres ondes, les ondes sonores sont réfléchies, réfracté, et diffracté, et présenter des interférences.
Le son est constamment réfléchi sur de nombreuses surfaces différentes. La plupart du temps, le son réfléchi n'est pas remarqué, parce que deux sons identiques qui atteignent l'oreille humaine à moins de 1/15 de seconde d'intervalle ne peuvent pas être distingués comme des sons séparés. Lorsque le son réfléchi est entendu séparément, cela s'appelle un écho.
Le son est réfléchi par une surface au même angle auquel il frappe la surface. Ce fait permet de focaliser le son au moyen de surfaces réfléchissantes incurvées de la même manière que des miroirs incurvés peuvent être utilisés pour focaliser la lumière. Elle rend également compte des effets de galeries dites chuchotantes, pièces dans lesquelles un mot chuchoté à un moment donné peut être entendu distinctement à un autre endroit assez éloigné, bien qu'il ne puisse être entendu nulle part ailleurs dans la pièce. (Statuary Hall of the United States Capitol est un exemple.) La réflexion est également utilisée pour concentrer le son dans un mégaphone et lors des appels à travers les mains en coupe.
La réflexion du son peut poser un sérieux problème dans les salles de concert et les auditoriums. Dans une salle mal conçue, le premier mot d'un locuteur peut résonner (écho répété) pendant plusieurs secondes, afin que les auditeurs puissent entendre tous les mots d'une phrase résonner en même temps. La musique peut être déformée de la même manière. De tels problèmes peuvent généralement être corrigés en recouvrant les surfaces réfléchissantes avec des matériaux insonorisants tels que des tentures ou des carreaux acoustiques. Les vêtements absorbent également le son; pour cette raison, la réverbération est plus importante dans une salle vide que dans une salle remplie de personnes. Tous ces matériaux insonorisants sont poreux; les ondes sonores entrant dans les minuscules espaces remplis d'air rebondissent en eux jusqu'à ce que leur énergie soit dépensée. Elles sont, en effet, piégé.
La réflexion du son est utilisée par certains animaux, notamment les chauves-souris et les baleines à dents, pour l'écholocation—localisation, et dans certains cas, l'identification, objets par le sens de l'ouïe plutôt que par le sens de la vue. Les chauves-souris et les baleines à dents émettent des salves de fréquences bien au-delà des limites supérieures de l'audition humaine, jusqu'à 200, 000 Hz dans le cas des baleines. Les sons avec de courtes longueurs d'onde sont réfléchis même par de très petits objets. Une chauve-souris peut localiser et attraper sans erreur même un moustique dans l'obscurité totale. Le sonar est une forme artificielle d'écholocation.
Lorsqu'une onde passe d'un matériau à un autre sous un angle, il change généralement de vitesse, faisant fléchir le front d'onde. La réfraction du son peut être démontrée dans un laboratoire de physique en utilisant un ballon en forme de lentille rempli de dioxyde de carbone pour focaliser les ondes sonores.
Lorsque les ondes sonores passent autour d'un obstacle ou à travers une ouverture dans un obstacle, le bord de l'obstacle ou de l'ouverture agit comme une source sonore secondaire, envoyant des ondes de même fréquence et longueur d'onde (mais de moindre intensité) que la source d'origine. La propagation des ondes sonores de la source secondaire est appelée diffraction. A cause de ce phénomène, le son peut être entendu dans les virages malgré le fait que les ondes sonores se déplacent généralement en ligne droite.
Chaque fois que les ondes interagissent, une interférence se produit. Pour les ondes sonores, le phénomène est peut-être mieux compris en pensant en termes de compressions et de raréfactions des deux ondes lorsqu'elles arrivent à un moment donné. Lorsque les ondes sont en phase pour que leurs compressions et raréfactions coïncident, ils se renforcent mutuellement (interférence constructive). Lorsqu'ils sont déphasés, de sorte que les compressions de l'une coïncident avec les raréfactions de l'autre, ils ont tendance à s'affaiblir voire à s'annuler (interférence destructrice). L'interaction entre les deux ondes produit une onde résultante.
Dans les auditoriums, des interférences destructrices entre le son de la scène et le son réfléchi par d'autres parties de la salle peuvent créer des zones mortes dans lesquelles le volume et la clarté du son sont médiocres. Une telle interférence peut être réduite en utilisant des matériaux absorbant le son sur des surfaces réfléchissantes. D'autre part, les interférences peuvent améliorer les qualités acoustiques d'un auditorium. Cela se fait en disposant les surfaces réfléchissantes de telle sorte que le niveau sonore soit réellement augmenté dans la zone dans laquelle le public est assis.
L'interférence entre deux ondes de fréquences presque mais pas tout à fait égales produit une tonalité d'intensité alternativement croissante et décroissante, parce que les deux ondes tombent continuellement en phase et en déphasage. Les pulsations entendues sont appelées battements. Les accordeurs de piano utilisent cet effet, ajuster le ton d'une corde par rapport à celui d'un diapason standard jusqu'à ce que les battements ne soient plus audibles.
Les sons d'une seule fréquence pure ne sont produits que par des diapasons et des appareils électroniques appelés oscillateurs; la plupart des sons sont un mélange de tons de différentes fréquences et amplitudes. Les sons produits par les instruments de musique ont une caractéristique importante en commun :ils sont périodiques, C'est, les vibrations se produisent dans des motifs répétitifs. La trace d'oscilloscope du son d'une trompette montre un tel schéma. Pour la plupart des sons non musicaux, comme celles d'un ballon qui éclate ou d'une personne qui tousse, une trace d'oscilloscope montrerait un déchiqueté, motif irrégulier, indiquant un fouillis de fréquences et d'amplitudes.
Une colonne d'air, comme celui d'une trompette, et une corde de piano ont toutes deux une fréquence fondamentale, la fréquence à laquelle elles vibrent le plus facilement lorsqu'elles sont mises en mouvement. Pour une colonne d'air vibrante, cette fréquence est déterminée principalement par la longueur de la colonne. (Les valves de la trompette sont utilisées pour changer la longueur effective de la colonne.) Pour une corde vibrante, la fréquence fondamentale dépend de la longueur de la corde, sa tension, et sa masse par unité de longueur.
En plus de sa fréquence fondamentale, une corde ou une colonne d'air vibrante produit également des harmoniques avec des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. C'est le nombre d'harmoniques produites et leur force relative qui donne à une tonalité musicale d'une source donnée sa qualité distinctive, ou timbre. L'ajout d'harmoniques supplémentaires produirait un motif compliqué, comme celle de la trace oscilloscope du son de la trompette.
Comment la fréquence fondamentale d'une corde vibrante dépend de la longueur de la corde, tension, et la masse par unité de longueur est décrite par trois lois :
1. La fréquence fondamentale d'une corde vibrante est inversement proportionnelle à sa longueur.
Réduire de moitié la longueur d'une corde vibrante doublera sa fréquence, augmenter la hauteur d'une octave, si la tension reste la même.
2. La fréquence fondamentale d'une corde vibrante est directement proportionnelle à la racine carrée de la tension.
L'augmentation de la tension d'une corde vibrante augmente la fréquence; si la tension est rendue quatre fois plus grande, la fréquence est doublée, et la hauteur est augmentée d'une octave.
3. La fréquence fondamentale d'une corde vibrante est inversement proportionnelle à la racine carrée de la masse par unité de longueur.
Cela signifie que de deux cordes du même matériau et de même longueur et tension, la corde la plus épaisse a la fréquence fondamentale la plus basse. Si la masse par unité de longueur d'une chaîne est quatre fois celle de l'autre, la corde la plus épaisse a une fréquence fondamentale la moitié de celle de la corde la plus fine et produit un ton plus bas d'une octave.
L'une des premières découvertes concernant le son a été faite au VIe siècle av. par le mathématicien et philosophe grec Pythagore. Il a noté la relation entre la longueur d'une corde vibrante et le son qu'elle produit, ce qui est maintenant connu comme la première loi des cordes. Pythagore a peut-être aussi compris que la sensation du son est causée par des vibrations. Peu de temps après son époque, il a été reconnu que cette sensation dépend de vibrations voyageant dans l'air et frappant le tympan.
Vers 1640, le mathématicien français Marin Mersenne a mené les premières expériences pour déterminer la vitesse du son dans l'air. Mersenne est également crédité de la découverte des deuxième et troisième lois des cordes. En 1660, le scientifique britannique Robert Boyle démontra que la transmission du son nécessitait un médium—en montrant que la sonnerie d'une cloche dans une jarre d'où l'air avait été pompé ne pouvait être entendue.
Ernst Chladni, un physicien allemand, a fait des analyses approfondies des vibrations produisant du son à la fin des années 1700 et au début des années 1800. En 1801, le mathématicien français Fourier a découvert que des ondes aussi complexes que celles produites par une corde vibrante avec toutes ses harmoniques consistent en une série d'ondes périodiques simples.
De nombreux travaux sur les vagues en général ont été réalisés au cours du XIXe siècle. Thomas Jeune, un physicien anglais, fait des recherches en particulier sur la diffraction et l'interférence. Christian Johann Doppler d'Autriche a formulé la relation mathématique entre les fréquences réelles et perçues des ondes lorsque la source des ondes se déplace par rapport à l'observateur.
Une contribution importante à la compréhension de l'acoustique a été faite par Wallace Clement Sabine, un physicien à l'Université Harvard, à la fin des années 1890. Sabine a été chargée d'améliorer l'acoustique de la salle de conférence principale du Fogg Art Museum de Harvard. Il a été le premier à mesurer le temps de réverbération, qu'il a trouvé à 5 1/2 secondes dans la salle de conférence. Expérimenter d'abord avec des coussins de siège d'un théâtre voisin, et plus tard avec d'autres matériaux insonorisants et d'autres méthodes, Sabine a posé les bases de l'acoustique architecturale. Il a conçu le Boston Symphony Hall (ouvert en 1900), le premier bâtiment doté d'une acoustique formulée scientifiquement.
Dans la seconde moitié du 20e siècle, l'augmentation du niveau de bruit dans le monde moderne - en particulier dans les zones urbaines - a suscité une toute nouvelle série d'enquêtes, traitant en grande partie des effets physiologiques et psychologiques du bruit sur les humains.
