Les ondes sonores
Les ondes sonores et ultrasonores sont des ondes progressives périodiques longitudinales de compression se propageant dans un milieu élastique (air, eau, métal...).
Elles sont caractérisées par leur hauteur, leur niveau sonore et leur timbre.
Perception des ondes sonores par l'oreille
L'oreille humaine perçoit des ondes sonores dont les fréquences sont comprises entre 20 Hz et 20 kHz environ. Cette échelle de fréquences diminue avec l'âge.
Les infrasons ont des fréquences inférieures à 20 Hz alors que les ultrasons ont des fréquences supérieures à 20 kHz.
Au niveau de l'oreille interne, les différentes fréquences sont perçues par les cellules de la cochlée en différents endroits. Chez l'homme, on dénombre environ 16 000 cellules ciliées qui assurent la perception des sons. Leur nombre est fixé très tôt dans le développement (10 semaines de gestation chez l'homme), et les cellules ciliées endommagées au cours de la vie ne sont pas remplacées. |  Cochlée |
Le spectre d'un son
Un son est caractérisé par une onde périodique qui peut être :
Sinusoïdale dans le cas d'un son pur.
Non sinusoïdale dans le cas d'un son complexe.
En 1822, le mathématicien Joseph Fourier, a montré que tout signal périodique de fréquence f1 pouvait se décomposer comme la somme de signaux sinusoïdaux de fréquences fn multiples entiers de f1 . le signal de fréquence f1 est appelé "fondamental" et les autres signaux sont appelés "harmoniques" (de rang 2, 3, etc...) : fn = n.f1
Le spectre en fréquences d'un son est la représentation graphique de l'amplitude de ses composantes en fonction de la fréquence.
Exemple : Analyse d'un son
L'enregistrement d'une note de guitare donne le signal périodique ci-dessous.
La période est évaluée à : T = 3,4 ms.
La fréquence du son (hauteur) est donc : f = 1/T = 290 Hz environ
Le spectre sonore montre :
Une fondamentale de fréquence 290 Hz
Des harmoniques multiples de 290 Hz.
2x290 = 580 Hz ; 3x290 = 870 Hz etc...
Le son est complexe et la répartition en intensité de ses harmoniques définit le timbre du son. C'est cette répartition qui permettra de distinguer la même note jouée par une guitare, un piano etc...
Définition : Niveau d'intensité sonore
Les sons sont perçus de manière plus ou moins intense. L'intensité sonore I (exprimée en W.m-2) caractérise l'intensité du signal reçue par l'oreille. Les intensités sonores perçues par l'oreille humaine varient entre I0 = 10-12 W.m-2 (seuil d'audibilité) et Imax = 25 W.m-2 (seuil de douleur). On verra plus loin qu'en fait ses intensités extrêmes varient avec la fréquence du son. On définit une autre grandeur, le niveau d'intensité sonore, qui rend mieux compte de la sensibilité de l'oreille : L = 10.log(I/I0) exprimé en décibel (dB). L'échelle des niveaux sonores s'établit entre 0 dB et 140 dB. Lorsque plusieurs instruments jouent ensemble, les intensités sonores s'ajoutent mais les niveaux sonores ne s'ajoutent pas. |  Niveau sonore |
Exemple : Calcul d'un niveau d'intensité sonore
Diagramme de Fletcher Munson
En fait, l'oreille n'a pas la même sensibilité suivant les fréquences.
Elle a une sensibilité maximale autour de 4000 Hz.
Les sons graves sont assez mal perçus de même que les aigus au-delà de 10kHz.
Dans l'exemple : une source émet avec un niveau sonore de 60 dB un son de fréquence 40Hz et un son de fréquence 100 Hz.
Le niveau sonore perçu pour le son à 40 Hz est de 10dB seulement, alors que pour le son à 100 Hz, il est de 40 dB !
