Son. Lorsqu'un tambour est frappé, la peau du tambour vibre et les vibrations sont transmises dans l'air sous forme d'ondes sonores. . Lorsqu'elles frappent l'oreille, ces ondes produisent la sensation du son.
Termes utilisés dans l'étude du sonL'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 du son. un son. Une tonalité de 3 000 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 traversent 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 sonore fait référence à la force avec laquelle un son semble lorsque nous l'entendons. Le bruit est un son désagréable, ennuyeux et distrayant. La hauteur est le degré de hauteur ou de basse d'un son tel que nous l'entendons. La raréfaction est une région d'une onde sonore dans laquelle la densité du milieu sonore est inférieure à la normale. La fréquence de résonance est la fréquence à laquelle un l'objet vibrerait naturellement s'il était dérangé. Le milieu sonore est une substance dans laquelle les ondes sonores se déplacent. L’air, par exemple, est un milieu sonore. La qualité sonore, également appelée timbre, est une caractéristique des sons musicaux. La qualité sonore fait la distinction entre les notes de même fréquence et d'intensité produites par différents instruments de musique. Les ultrasons sont des sons dont les fréquences sont supérieures à la portée de l'audition humaine, c'est-à-dire supérieures à 20 000 hertz. La longueur d'onde est la distance entre n'importe quel point d'une onde et le point correspondant sur la vague suivante.Techniquement, le son est défini comme une perturbation mécanique se propageant à travers un milieu élastique, un matériau qui tend à revenir à son état d'origine après avoir été déformé. Il n'est pas nécessaire que le milieu soit de l'air. Le métal, le bois, la pierre, le verre, l'eau et bien d'autres substances conduisent le son, et nombre d'entre elles sont même meilleures que l'air.
Contenu
Il existe de nombreuses sources sonores. Les types familiers incluent la vibration des cordes vocales d'une personne, des cordes vibrantes (piano, violon), une colonne d'air vibrante (trompette, flûte) et des solides vibrants (une porte lorsque quelqu'un frappe). Il est impossible de tous les énumérer car tout ce qui perturbe un milieu élastique est une source sonore.
Le son peut être décrit en termes de hauteur – du faible grondement d’un tonnerre lointain au bourdonnement aigu d’un moustique – et d’intensité. La hauteur et le volume, cependant, sont des qualités subjectives ; ils dépendent en partie du sens de l'ouïe de l'auditeur. Les qualités objectives et mesurables du son comprennent la fréquence et l'intensité, qui sont liées à la hauteur et au volume. Ces termes, ainsi que d'autres termes utilisés pour parler du son, sont mieux compris grâce à l'examen des ondes sonores et de leur comportement.
Vitesse du son dans divers médiums
L'air, comme toute matière, est constitué de molécules. Même une petite région d’air contient un grand nombre de molécules d’air. Les molécules sont en mouvement constant, se déplacent de manière aléatoire et à grande vitesse. Ils se heurtent constamment et rebondissent les uns sur les autres, et frappent et rebondissent sur les objets en contact avec l'air.
Lorsqu'un objet vibre, il produit des ondes sonores dans l'air. Par exemple, lorsque la peau d’un tambour est frappée avec un maillet, la peau vibre et produit des ondes sonores. La peau vibrante produit des ondes sonores car elle se déplace alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur, poussant contre l'air à côté d'elle, puis s'en éloignant. Les particules d'air qui frappent la peau du tambour alors qu'elle se déplace vers l'extérieur rebondissent avec plus que leur énergie et leur vitesse normales, après avoir reçu une poussée de la peau du tambour.
Ces molécules se déplaçant plus rapidement se déplacent dans l’air ambiant. Pendant un instant, la région située à côté de la peau du tambour présente une concentration de molécules d'air supérieure à la normale :elle devient une région de compression. Lorsque les molécules les plus rapides dépassent les molécules d’air présentes dans l’air ambiant, elles entrent en collision avec elles et leur transmettent leur énergie supplémentaire. La région de compression se déplace vers l'extérieur à mesure que l'énergie de la peau vibrante est transférée à des groupes de molécules de plus en plus éloignés.
Les molécules d'air qui frappent la peau du tambour pendant son déplacement vers l'intérieur en rebondissent avec moins que leur énergie et leur vitesse normales. Pendant un instant, la région située à côté de la peau du tambour contient 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 à une vitesse inférieure à la normale, et la région de raréfaction se déplace vers l'extérieur.
Caractéristiques des ondes sonoresLa nature du son est capturée à travers ses caractéristiques fondamentales :longueur d'onde (la distance entre les pics des ondes), amplitude (la hauteur de l'onde, correspondant au volume), fréquence (le nombre d'ondes passant un point par seconde, lié à la hauteur), la période de temps (le temps nécessaire pour qu'un cycle complet d'onde se produise) et la vitesse (la vitesse à laquelle l'onde se déplace à travers un milieu). Ces propriétés s'entrelacent pour créer la signature unique de chaque son que nous entendons.
La nature ondulatoire du son devient évidente lorsqu'un graphique est dessiné 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 d’un seul ton pur, tel que celui produit par un diapason vibrant, montrerait une onde sinusoïdale (illustrée ici). La courbe montre les changements de concentration. Cela commence, arbitrairement, à un moment où la concentration est normale et où une impulsion de compression vient d'arriver. La distance de chaque point de la courbe par rapport à l'axe horizontal indique dans quelle mesure 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 point correspondant suivant.) La fréquence d'un son est mesurée en cycles par seconde ou hertz (abrégé Hz). L'amplitude est la plus grande quantité par laquelle la concentration des molécules d'air varie par rapport à la normale.
La longueur d’onde d’un son est la distance parcourue par la perturbation au cours d’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 dont les fréquences peuvent atteindre 20 Hz et 20 000 Hz. Dans l'air immobile 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. C'est proportionnel au carré de l'amplitude. L'intensité se mesure 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 sous la forme 0,0000000000000001.) Chaque multiplication par dix du nombre de watts par centimètre carré signifie une augmentation de 10 dB. Ainsi, une intensité de 10 à 15 watts par centimètre carré peut également être exprimée par 10 dB et une intensité de 10 à 4 (ou 0,0001) watts par centimètre carré par 120 dB.
L'intensité du son diminue rapidement à mesure que l'on s'éloigne de la source. Pour une petite source sonore rayonnant de l’énergie uniformément dans toutes les directions, l’intensité varie inversement au carré de la distance à la source. C'est-à-dire qu'à une distance de deux pieds de la source, l'intensité est quatre fois moins grande qu'à une distance d'un pied; à trois pieds, elle n'est qu'un neuvième aussi grande qu'à un pied, etc.
La hauteur dépend de la fréquence ; en général, une montée en fréquence provoque une sensation de tonalité montante. La capacité de distinguer deux sons dont la fréquence est proche diminue cependant dans les parties supérieures et inférieures de la plage de fréquences audibles. Il existe également des variations d’une personne à l’autre dans la capacité à distinguer deux sons ayant presque la même fréquence. Certains musiciens qualifiés peuvent détecter des différences de fréquence aussi petites 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 son légèrement plus grave, comme si le diapason vibrait plus lentement, se fait entendre.
Lorsque la source d'un son se déplace à une vitesse relativement élevée, un auditeur stationnaire 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 dû à la nature ondulatoire du son.
En général, une augmentation de l’intensité provoquera une sensation d’augmentation du volume. Mais le volume sonore n’augmente pas directement proportionnellement à 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. Le volume double à chaque augmentation de 10 dB d'intensité.
L'intensité sonore est également affectée par la fréquence, car l'oreille humaine est plus sensible à certaines fréquences qu'à d'autres. Le seuil d’audition – l’intensité sonore la plus basse qui produira la sensation d’audition pour la plupart des gens – est d’environ 0 dB dans la gamme de fréquences de 2 000 à 5 000 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. Entre 120 et 140 dB, la plupart des gens ressentent un inconfort physique ou une douleur réelle, et ce niveau d'intensité est appelé seuil de douleur.
Ondes transversales et ondes longitudinalesLorsque nous visualisons les vagues, nous pensons souvent aux ondes transversales – comme les vagues qui roulent sur une plage – où le mouvement de la vague est perpendiculaire à la direction du transfert d’énergie. Cependant, les ondes sonores sont d’un type complètement différent :une onde longitudinale. Dans les ondes sonores longitudinales, telles que les ondes sonores produites par une peau de tambour vibrante ou par nos cordes vocales, les particules du milieu se déplacent parallèlement à la direction de déplacement de l'onde. Ce mouvement crée des zones de compression et de raréfaction dans le milieu – qu'il s'agisse d'air, d'eau ou d'un solide – que nos oreilles interprètent comme du son. Comprendre la différence entre les ondes longitudinales et transversales est essentiel à la compréhension du son.
La vitesse du son dépend de l'élasticité et de la densité du milieu dans lequel il se déplace. En général, le son se propage plus rapidement dans les liquides que dans les gaz et plus rapidement dans les solides que dans les liquides. Plus l’élasticité est grande et plus la densité est faible, plus le son se déplace rapidement dans un support. 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, l’hydrogène et le fer. L'air et l'hydrogène ont presque les mêmes propriétés élastiques, mais la densité de l'hydrogène est inférieure à celle de l'air. Le son se propage 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 bien supérieure à celle de l’air. Le son se propage plus vite (environ 14 fois plus vite) dans le fer que dans l'air.
La vitesse du son dans un matériau, en particulier dans un gaz ou un liquide, varie avec la température car un changement de température affecte la densité du matériau. Dans l’air par exemple, la vitesse du son augmente avec 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.), elle est de 1 127 pieds par seconde (343 m/s).
Les termes subsonique et supersonique font référence à la vitesse d'un objet, comme un avion, par rapport à la vitesse du son dans l'air ambiant. Une vitesse subsonique est inférieure à la vitesse du son ; une vitesse supersonique est supérieure à 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'elle est produite dans l'air, peut généralement être entendue comme un bang sonique.
Les vitesses des objets supersoniques sont souvent exprimées en termes de nombre de Mach, le rapport entre la vitesse de l'objet et la vitesse du son dans l'air ambiant. 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, réfractées et diffractées et présentent des interférences.
Le son est constamment réfléchi sur de nombreuses surfaces différentes. La plupart du temps, le son réfléchi n'est pas remarqué, car 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 distincts. Lorsque le son réfléchi est entendu séparément, cela s'appelle un écho.
Le son est réfléchi par une surface selon le même angle avec lequel 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. Cela explique également les effets des galeries dites chuchotantes, des pièces dans lesquelles un mot murmuré à un moment donné peut être entendu distinctement à un autre point assez éloigné, bien qu'il ne puisse être entendu nulle part ailleurs dans la pièce. (Le National Statuary Hall du Capitole des États-Unis en est un exemple.) La réflexion est également utilisée pour concentrer le son dans un mégaphone et lors d'un appel avec 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 orateur peut résonner (écho de manière répétée) pendant plusieurs secondes, de sorte que les auditeurs peuvent 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 de matériaux insonorisants tels que des tentures ou des carreaux acoustiques. Les vêtements absorbent également le son; pour cette raison, la réverbération est plus grande dans une salle vide que dans une salle remplie de monde. Tous ces matériaux insonorisants sont poreux; les ondes sonores entrant dans les minuscules espaces remplis d’air y rebondissent jusqu’à ce que leur énergie soit dépensée. Ils sont en effet piégés.
La réflexion du son est utilisée par certains animaux, notamment les chauves-souris, pour l'écholocation, c'est-à-dire la localisation et, dans certains cas, l'identification d'objets par le sens de l'ouïe plutôt que par le sens de la vue. Les chauves-souris émettent des rafales sonores dont les fréquences dépassent largement les limites supérieures de l’audition humaine. Les sons de courtes longueurs d'onde sont réfléchis même par de très petits objets. Une chauve-souris peut localiser et attraper de manière infaillible 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 selon un angle, elle change généralement de vitesse, provoquant une courbure du 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 concentrer les ondes sonores.
Lorsque les ondes sonores contournent un obstacle ou traversent 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 provenant de la source secondaire est appelée diffraction. En raison de ce phénomène, le son peut être entendu dans les coins malgré le fait que les ondes sonores se propagent généralement en ligne droite.
Chaque fois que les ondes interagissent, des interférences se produisent. 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 de telle sorte que leurs compressions et raréfactions coïncident, elles se renforcent mutuellement (interférence constructive). Lorsqu'ils sont déphasés, de sorte que les compressions de l'un coïncident avec les raréfactions de l'autre, ils ont tendance à s'affaiblir, voire à s'annuler (interférence destructrice). L'interaction entre les deux vagues produit une onde résultante.
Dans les auditoriums, les interférences destructrices entre le son de la scène et le son réfléchi par d’autres parties de la salle peuvent créer des points morts dans lesquels le volume et la clarté du son sont médiocres. De telles interférences peuvent être réduites par l’utilisation de matériaux insonorisants sur les surfaces réfléchissantes. D’un autre côté, les interférences peuvent améliorer les qualités acoustiques d’une salle. Cela se fait en disposant les surfaces réfléchissantes de manière à ce 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 se déphasent. Les pulsations entendues sont appelées battements. Les accordeurs de piano utilisent cet effet, ajustant la tonalité d'une corde par rapport à celle d'un diapason standard jusqu'à ce que les battements ne puissent plus être entendus.
Le son est une onde de pressionLes ondes sonores sont fondamentalement des ondes de pression, voyageant à travers la compression et la raréfaction des particules dans un milieu. Les ondes sonores sont constituées de zones où les particules sont regroupées, suivies de zones où elles sont dispersées. Ces régions de haute et basse pression se propagent dans des environnements tels que l’air, l’eau ou les solides, à mesure que l’énergie de l’onde sonore se déplace de particule en particule. Il s'agit de la variation rapide de pression qu'un tympan détecte et que le cerveau décode en sons que nous entendons.
Les sons d'une seule fréquence pure sont produits uniquement par des diapasons et des appareils électroniques appelés oscillateurs; la plupart des sons sont un mélange de tonalités de fréquences et d'amplitudes différentes. Les sons produits par les instruments de musique ont une caractéristique importante en commun :ils sont périodiques, c'est-à-dire que les vibrations se produisent selon un motif répétitif. Le tracé à l'oscilloscope du son d'une trompette montre un tel schéma. Pour la plupart des sons non musicaux, tels que ceux d'un ballon qui éclate ou d'une personne qui tousse, un tracé d'oscilloscope montrerait un motif irrégulier et irrégulier, indiquant un mélange de fréquences et d'amplitudes.
Une colonne d’air, comme celle 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 pistons de la trompette sont utilisés pour modifier la longueur effective de la colonne.) Pour une corde vibrante, la fréquence fondamentale dépend de la longueur de la corde, de sa tension et de sa masse par unité de longueur.
En plus de sa fréquence fondamentale, une corde ou une colonne d’air vibrante produit également des harmoniques dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. C'est le nombre d'harmoniques produits et leur force relative qui donne à un son musical provenant d'une source donnée sa qualité ou son timbre distinctif. L'ajout d'harmoniques supplémentaires produirait un motif compliqué, tel que celui de la trace à l'oscilloscope du son de la trompette.
La façon dont la fréquence fondamentale d'une corde vibrante dépend de la longueur, de la tension et de la masse par unité de longueur de la corde est décrite par trois lois :
Réduire de moitié la longueur d'une corde vibrante doublera sa fréquence, augmentant la hauteur d'une octave, si la tension reste la même.
Augmenter la tension d'une corde vibrante augmente la fréquence; si la tension est quatre fois plus grande, la fréquence est doublée et la hauteur est augmentée d'une octave.
Cela signifie que parmi deux cordes du même matériau et avec la même longueur et la même tension, la corde la plus épaisse a la fréquence fondamentale la plus basse. Si la masse par unité de longueur d'une corde est quatre fois supérieure à 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 son une octave plus bas.
L'une des premières découvertes concernant le son a été faite au VIe siècle avant JC. 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 sonore est provoquée par des vibrations. Peu de temps après son époque, on reconnut que cette sensation dépendait des vibrations se propageant dans l'air et frappant le tympan.
Vers 1640, le mathématicien français Marin Mersenne mena les premières expériences pour déterminer la vitesse du son dans l'air. On attribue également à Mersenne 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 démontrant que le tintement d'une cloche dans un pot d'où l'air avait été pompé ne pouvait pas être entendu.
Ernst Chladni, un physicien allemand, a réalisé des analyses approfondies des vibrations sonores à la fin des années 1700 et au début des années 1800. Au début des années 1800, le mathématicien français Fourier a découvert que des ondes aussi complexes que celles produites par une corde vibrante avec toutes ses harmoniques consistaient en une série d'ondes périodiques simples.
Wallace Clement Sabine, physicien à l’Université Harvard, a apporté une contribution importante à la compréhension de l’acoustique 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 constaté être de 5 1/2 secondes dans la salle de conférence. En expérimentant d'abord avec des coussins de siège provenant d'un théâtre voisin, puis avec d'autres matériaux insonorisants et d'autres méthodes, Sabine a jeté les bases de l'acoustique architecturale. Il a conçu le Boston Symphony Hall (ouvert en 1900), le premier bâtiment doté d'une acoustique scientifiquement formulée.
Dans la seconde moitié du XXe siècle, l'augmentation du niveau de bruit dans le monde moderne — en particulier dans les zones urbaines — a donné lieu à une toute nouvelle série d'enquêtes, traitant en grande partie des effets physiologiques et psychologiques du bruit sur les humains.
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