A2.CARACTERISTIQUES des SONS

-vecteur de Poynting acoustique

On désigne sous le nom de vecteur de Poynting le vecteur (et sa norme) représentant une puissance incluse dans une section d'angle solide

N.B. on utilise la même notion en électromagnétisme

Pour une émission sonique, le vecteur de Poynting  est l'expression de la puissance surfacique spatiale (puissance dans une section d'angle solide, qu'on nomme aussi puissance acoustique intrinsèque)

Equation aux dimensions structurelles du vecteurM.T-3.A-1       Symbole grandeur : DP     

Unité S.I.+ : (W/m²-sr)

Formulation >>> D= dP / dS.Ω

avec DP(W/m²-sr)= vecteur de Poynting

P(W)= puissance exprimée

Ω(sr)= angle solide dans lequel on mesure l’effet

S(m²)= surface (section) traversée par la puissance

 

-relation entre vecteur de Poynting et inertance acoustique

D= v².f².cos²(ωt - Jo.l) / Z*a

avec Dp(W/m²-sr)= vecteur de Poynting

Z*a(m²-sr/kg-s)= inertance acoustique

v(m/s)= vitesse

t(s)= temps

ω(rad/s)= vitesse angulaire

Jo(m-1)= nombre d'onde

l(m)= position et f(Hz)= fréquence

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-vitesse du son

La vitesse du son (dite célérité) -pour des corps isotropes- représente la propagation du déplacement de l’état d’un phénomène ondulatoire (sans déplacement de matière)

Equation aux dimensions d'une vitesse   L.T-1   Symbole de désignation : vc        Unité S.I.+ : m/s

 

1.VITESSE du SON dans les GAZ

-équation standard  

pour des corps isotropes, c'est la célérité v= (dp / dρ')1/2

où dp(Pa)= variation de pression dans le milieu

dρ'(kg/m3)= variation de masse volumique du milieu   

 

-influence de la température sur la vitesse du son

elle est indiquée par l'équation de Laplace

v= [γ.p (1+αv.T) / ρ']1/2     ou   v= [c'.γ.T]1/2     ou   v= [nρ']1/2    

ainsi que v= [1 / ρ'.c]1/2

avec vc(m/s)= vitesse du son (célérité)

γ= coefficient adiabatique

p(Pa)= pression du gaz

nc(Pa)= module de compressibilité

ρ'(kg/m3)= masse volumique du gaz

T(K)= température

c(Pa-1)= coefficient de compressibilité (volumique isotherme)

c'(J/kg-K)= constante individuelle du gaz

T(K)= température

αdv(K-1)= coefficient de dilatation volumique isobare, dont les valeurs ~ de 366.10-5 K-1

Exemple de calcul: vitesse du son dans l'hydrogène

la formule v= [c'.γ.T]1/2 pour l'hydrogène (pour lequel c' = 4122 ///γ= 1,4 /// T,

la température = normale, soit 293 >>> d'où v= [(4122).(1,4).(293)]1/2= 1300 m/s

Valeurs de la vitesse du son dans les gaz (en m/s, à 0°C et à pression normale) :

air et composants de l’air (332)--He (965)--H²(1300)-- CO²(260)--gaz de ville(454)—chlore(205)--néon(435)

Et à 20° C --toujours à pression normale-- les valeurs ci-dessus deviennent :

--air et composants de l’air (343)--He (1020)--H²(1300)-- CO²(257)--gaz de ville(450)—chlore(208)--néon(453)

 

-influence du mouvement envers la vitesse du son

l'effet Doppler-Fizeau exprime que si l'auditeur d'un signal sonore est en mouvement par rapport à la sourceémettrice dudit son, il perçoit une fréquencedifférentede celle d'émission.La relation est fo = fs / (1 +/- v / vc)

f0 (Hz) est la fréquence perçue par l'auditeur

fest la fréquence de la source

v est la vitesse relative entre source et auditeur du son

vc est la célérité de l'onde dans le milieu d'évolution du phénomène (340,3 m/s dans l'air)

Le signe + correspond à un moment où la source s'éloigne de l'auditeur

Le signe - correspond à un moment où la source se rapproche de l'auditeur

Le franchissement du mur du son a lieu quand v = vc

  

-la force du vent

--qui devrait être nommée la vitesse du vent, car les mesures se réfèrent à des vitesses--influence la vitesse du son (les vecteurs vitesses s'ajoutent)

 

-la vitesse de détonation

est la vitesse de déplacement du front de l'onde de choc provoquée par une explosion

Elle va de 5000 m/s, pour les explosifs à faible brisance, jusqu’à 10.000 m/s pour brisance forte

 

-valeurs de la vitesse du son dans les gaz (en m/s, à 0°C et à pression normale) :

air et ses composants(332)--gaz légers tels He, H²(970 à 1280)-- CO²(260)--gaz de ville(454)--chlore(205)

Ces vitesses du son varient un peu avec la température:

Exemples (en m/s, à 20° C et à pression normale) les valeurs ci -dessus deviennent:

--air et ses composants(344)--gaz légers tels He, H²(1020 à1300)--CO²(258)--gaz de ville(450)--chlore(200)

 

2.VITESSE du SON dans les LIQUIDES

Formulation    vc= [ncρ']1/2   ou  vc= [1 / ρ'.c]1/2

avec nc(Pa)= module de compressibilité

c(Pa-1)= coefficient de compressibilité (volumique isotherme)

et aussi : v= (g.R*m.T / m')1/2

où v(m/s)= célérité

g(nombre)= coeff. adiabatique

R*m(J/K)= constante molaire

T(K)= température absolue

m'(kg/mol)= masse moléculaire

 

Valeurs de la vitesse du son (en m/s, à 0°C et à pression normale)

liquides volatils(1200)--eau(1500)--liquides épais(1600 à 1800)--liquides très épais(1900)

 

3.VITESSE du SON DANS LES SOLIDES

vc= [nρ']1/2

où nY(N/m²)= module de Young (Voir valeurs chapitre Module)

ρ'(kg/m3)= masse volumique

Valeurs de la vitesse du son  (en m/s, à 0°C et à pression normale)

METAUX >> de 1200 (malléables) à 6000 (durs)

AUTRES MATÉRIAUX >> 100 à 1500 (plastiques, liège)-- 3 à 4000 (bois, béton, pierre) ~ 5000 (verre, faïence)--6000 (métaux durs)--

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audibilité

On dénomme audibilité la puissance surfacique émise par une source sonore

Equation aux dimensions : M.T-3         Symbole  : p* a    Unité S.I.+ = le Watt par mètre carré(W / m²)

Attention: cette puissance surfacique est souvent nommée à tort "intensité" par ceux qui prétendent que l'angle solide n'a pas de dimension (ceux qui disent que l'angle solide n'existe pas physiquement) Or ici on parle de la puissance traversant une surface sphérique d'un front d'onde, alors qu'une intensité exprime la répartition de la même puissance dans l'angle solide où se succèdent tous les fronts d'onde

Une intensité a pour dimension L².M.T-3. A-1      

comment est-il possible de prétendre les confondre ?

 

DEFINITION

p* = P / S

où p*(W/m²)= audibilité (puissance surfacique)

P(W)= puissance (énergétique) présente à un instant donné, dans un front d'onde de surface S(m²)

 

Le NIVEAU d'AUDIBILITE

L'audibilité est une notion purement acoustique et à ce titre --comme pour toutes autres notions acoustiques--on la mesure toujours avec des notions logarithmiques, car ce sont elles qui sont les mieux perçues par l'oreille. On utilise donc le niveau d'audibilité (échelle de comparaison d'audibilités), dont l'unité de mesure est le décibel d'audibilité, répondant à la définition suivante   n décibelaudib = 10log10(p* /p*0) 

où n = le nombre de décibels, p* = audibilité (puissance surfaciqueémise),log10 = logarithme de base décimale et p*o= audibilité choisie comme base de référence = 5,3.10-10 W/m²

Exemple de valeur chiffrée pour ce décibelaudib    si l'audibilité est de 1 Watt/m²  le niveau est  n= 10.log10(1/5,3.10-10) = 10.(log1010-log5,3)=10 fois (10-0,72) = 93 décibelaudib

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caractéristiques appareils de traitement de sons

Les caractéristiques des appareils de la chaîne de traitement des sons

-la bande passante d'un appareil

est la plage (dite largeur) d'utilisation des fréquences pour cet appareil.

Elle est limitée inférieurement par la fréquence à laquelle l'affaiblissement prend une valeur arbitrairement définie.

 

-la courbe de réponse d'un appareil

est la représentation graphique de la variation du niveau sonore qu'il permet de traiter, dans sa bande passante de fréquences.Cette variation est de modulation (très irrégulière) pouvant atteindre 5 à 20 dBSPL

 

 

-l'efficacité acoustique  ou indice d'affaiblissement acoustique  ou  ITS

est--pour un matériau-- la valeur de la variation de niveau sonore.qu'il engendre quand il est obstacle(15 à 60 dBSPL)

Cette notion permet surtout d'appréhender le confort auditif des constructions (habitats)

Le décibel utilisé est le décibelSPL --mais il est parfois désigné décibelITS --

On définit des normes (+/- légales) précisant les limites demandées aux matériaux, en distinguant toutefois le type de bruit qu'on espère améliorer >>>

--s'il s'agit de bruits aériens extérieurs (environnement, voitures, sirènes...)>>

l'efficacité (symbolisée RW-- ou RA) doit être >15 dBSPL ou ITS

--s'il s'agit de bruits aériens internes (conversations, musique, équipements collectifs et particuliers...) >>

l'efficacité (symbolisée DnTA) doit être > 35 dBSPL ou ITS

--s'il s'agit de bruits de chocs (contre les murs, les huis, ) >>

l'efficacité (symbolisée LW) doit être > 40 dBSPL ou ITS

--s'il s'agit d'impacts (pas sur le sol, coup de béliers......) >>

l'efficacité (symbolisée LWi) doit être > 58 dBSPL ou ITS

Ces valeurs varient avec la fréquence du son, qui est ci-dessus supposée être de 1 kHz

 

-équation énergétique pour un appareil acoustique

B*.S = [M*² + (m.f - W'/ f)²]1/2

avec B*(kg/s-m²)= impédance acoustique spécifique (du milieu)

S(m²)= surface active

M*(kg/s)= coefficient de frottement visqueux (du milieu)

W’(J/m²)= raideur de l’appareil

f(s-1)= fréquence

 

-l'impédance d'un appareil

est l'impédance électrique (sa résistance envers l'écoulement de charges électriques en courant alternatif) Plus elle est forte, plus il ya de perte de puissance (6 à 15 décibels)

--l'impédance nominale de charge est celle d'entrée (par exemple pour un ampli, une console, un magnétophone) En pratique > 1000 Ohms

--l'impédance de sortie est par contre de l'ordre  de 200 W

Exemples concrets (toujours exprimées en Ohms) >>>

casque(8 à 600)//contrôleur des lumières d'ambiance(110)//haut-parleur(entre 2 et 32)// mélangeurs(entre 150 et 4000)//synthétiseur(200 à 2000)//vidéo(75)//câble de modulation(50)//ampli(500 à 1000)//

Les résistances des câblages (snakes, connecteurs...) doivent être minimales pour éviter les pertes de puissance

 

-la précision d'un appareil

est une qualité assez subjective

 

-la puissance acoustique

est la puissance de l'onde acoustique générée par un appareil émetteur

 

-la puissance consommée par un appareil

est l'énergie instantanée qu'on lui fournit

 

-les rendements (les vrais)

un rendement est toujours le rapport entre ce qui est produit par (à la sortie),  relativement à ce qui est fourni à (au départ) l'appareil

-et les 2 valeurs ainsi comparées doivent être de même nature et exprimées en mêmes unités

-le rendement d'un microphone est égal au rapport entre la puissance acoustique qu'il envoie aux H.P. et la puissance que lui apporte la source qui motive son usage.

Ce rendement(de micro) va de 0,5 à 5%

-la fonction de transfert(pour un transducteur par exemple) est un rendement: c'est le rapport (signal de sortie) / (signal d'entrée)

 

-les rendements (les faux)

le langage courant utilise hélas le mot "rendement" pour certains comparatifs entre une grandeur d'un certain type, et une autre grandeur d'un autre type (ce qui donc ne ressemble en rien à un rendement) Et si c'est le logarithme d'un tel rapport, c'est encore pire (il faut donner d'autres noms, comme efficacité, sonorité, etc)

-le (faux) rendement de conversion électro-acoustique d'un appareil

--utilisé pour des émetteurs de son-- est le comparatif entre la production de pression acoustique et le voltage électrique consommé

c'est V’= pU

Equation aux dimensions : L-3.T.I (idem Charge volumique)       Symbole grandeur : V’r     

Unité S.I .+ : le Pascal par Volt 

U(V) est le voltage et pa(Pa)= pression acoustique

-le (faux) rendement manostatique

est la comparaison entre le niveau sonore (en décibelSPL) et la pression acoustique (pa en Pa)

-le (faux) rendement électro-acoustique(V') est un comparatif  entre l'impédance acoustique et l'impédance électrique--qui sont bien sûr de nature différente-

C'est plus précisément:

V' =(B* / R)1/2 = (impédance spécifique acoustique / impédance électrique)1/2

 

 

-la sensibilité acoustique d'un appareil émetteur

est le niveau logarithmique, impliquant le voltage alimentant l'appareil et défini à travers    dBsensib = 10 log10UU  

où U est la tension (voltage), et U0 la tension de référence valant 2,83 Volt

et le décibel correspondant étant dit décibel 2,83  (dB2,83)

 

-la sensibilité électroacoustique d'un appareil 

est le rapport logarithmique,relatif au champ électrique alimentant l'appareil

et défini à travers le décibel correspondant   décibelélac = 20.log(E /E0) 

E est le champ d'induction électrique   

et E0 le champ de référence = 1 mV/m

 

-la sensibilité relative d'un appareil (1 microphone par exemple)

ou sensibilité de réponse en pression

est le rapport logarithmique entre 2 valeurs du facteur de transmission  b*

-ce facteur étant, pour sa part, b*= Ueff/ peff  = (tension électrique efficace/ pression acoustique efficace)

La définition du décibel de sensibilité relative correspondant (dBrép) provient de n dBrép= 10 log(b* /b*0)

où le facteur de référence (b*0) est pris en général égal à 1 mV/Pa

Les valeurs pratiques vont de 25 à 55 dBrép

 

-la transduction

est l'opération faite par un appareil dit transducteur, qui transforme des donnéees acoustiques en informations d'autre type (électrique, mécanique, optique, numérique, etc)

Et inversement

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impédances acoustiques

On utilise plusieurs impédances en acoustique: il y a l'impédance acoustique mécanique (soeur des impédances électrique et thermique) et sa compagne l'inertance acoustique. Mais on se sert surtout de 2 autres impédances fort dissemblables des premières, dites impédance spécifique et impédance caractéristique

 

1.L'impédance acoustique stricto sensu(Zéa)

est un cas particulier d'impédance énergétique Zé

Dimension L2.M-1.T-1       Symbole Zéa       Unité S.I.+ m²/kg-s

Zéa = Z*/ Ω      et   Zéa = v / ρ'.S       ainsi que   Zéa = v.f² / pa

où Zéa (m²/kg-s) = impédance acoustique (de rayonnement d’une source)

Zg(m²-sr/kg-s)= inertance et Ω(sr) l'angle solide

pa(Pa)= pression acoustique

ρ'(kg/m3)= masse volumique du milieu où se propage le son

v(m/s)= vitesse de propagation

S(m²)= section

f(Hz)= fréquence

Ω(sr)= angle solide dans lequel se transmet la propagation

On a aussi Zéa = 1 / Y'    c'est à dire l’inverse de l’admittance acoustique

 

2.L'impédance acoustique intrinsèque -ou inertance acoustique- (Zia)

est un cas particulier d'inertance énergétique (intrinsèque, signifiant qu'il y a relation avec l'angle solide)

Equation aux dimensions  :  L2.M-1.T-1.A       Symbole : Zia      Unité S.I.+ : m²-sr/ kg-s

Zia G/ c     et aussi    Zia = Zéa

où Zia(m²-sr/kg-s)= inertance acoustique

G= constante de gravitation (8,385.10-10 m3-sr/kg-s²)

c= constante d'Einstein (2,99792458 .10m/s)

Ω= angle solide dans lequel s’effectue le phénomène (souvent l’espace entier, soit 4p sr -mais pas toujours, car des sources peuvent n'émettre que depuis une demi-sphère)

Zia(m²/ kg-s)= inertance acoustique

 

Relation entre l'inertance acoustique et le milieu de propagation

Zia = vc.Ω / S.ρ'

avec ρ'(kg/m3)= masse volumique du milieu dans lequel un son se propage à célérité vc(m/s) et S(m²) = section dans Ω(sr) qui est l'angle solide dans lequel se diffuse la propagation

 

Relation entre inertance et impulsion acoustique

Zia = a' / V.Q'a

avec a'(sr/s²)= accélération angulaire

Q'a(kg/m-s)= impulsion acoustique

V(m3)= volume

 

3.L'impédance acoustique spécifique 

Cette impédance acoustique spécifique représente la résistance de tout l'espace (volumiquement) à être traversé par une impulsion)

Dimensions   L-2.M.T-1    Symbole B*    Unité le rayl, ou Pa-s/m ou le kg/m²-s

Formules >>> B* = r'.vc et    B* = p / vc

où B*(Pa-s/m)= impédance spécifique, r'(kg/m3)= masse volumique, vc(m/s)= célérité, p(Pa)= pression

Valeurs pratiques de B* =  410 rayls pour l'air et 1,45 millions de rayls pour l'eau >>> cette énorme différence entre l'air et l'eau est perceptible dans l'exemple suivant : à la plage, si vous avez la tête sous l'eau, vous n'entendrez pas la personne qui parle,debout auprès de vous. Par contre, vous entendrez parfaitement les sons émis dans l'eau, par le moteur d'un bateau qui passe à 100m !

 

4.L'impédance caractéristique (ici acoustique, mais on a la même notion en hydraulique)

a pour dimension   L-4.M.T-1  pour symbole Zfa  pour unité le Pa-s/m3

L'impédance caractéristique acoustique, utilisée pour un gaz, indique la variation du volume du gaz, qui résiste à une action (a) qui lui est infligée --l'action étant une durée d'apport d'énergie--

C'est Zfa = a / V² ainsi que Zfa = p / Q   où a(J-s) est l'action, V(m3)= volume, p(Pa)= pressionet Q(m3/s) le débit-volume

L'impédance caractéristique est une impédance spécifique par unité de surface : Zfa = B* / S

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la vie d'un son

 

La vie d'un son peut se résumer au schéma ci-après:

 

1.l'émission  des sons

-soit par des moyens naturels (bruits de la nature et voix)

-soit par des appareils sous sollicitation thermique (thermophones)

-soit par des appareils sous sollicitations électriques (électro-mécaniques, électro-optiques, ou fabriquant de la musique concrète)

 

2.l'éventuel enregistrement d'un son

-on le soumet d'abord à une prise de son (ou capture de son)

par des capteurs vibro-électriques, acoustico-électriques, piézo-électriques

-on effectue ensuite l'acquisition de données, où interviennent

convertisseur, échantillonnage des gammes de fréquences(sampling), réglage de la réverbération,analyseurs de rythme, analyseurs de voix,reconnaissance vocale...

-on effectue maintenant l'enregistrement stricto sensu (stockage des sons)

soit direct et mécanique,soit direct magnétique,soit traité par optique,soit traité par numérique-électronique,soit traité par audio-magnétisme...

-on traite encore fortement le son pour l'améliorer, lors de sa réémission:

préamplification, amplification, mixage, mastering,insertion d'effets, puis actions diverses de déessage, directivité, anti-distorsion, régulation de fading, expansing, filtrages, régulation deloudness, symétrisation, anti court-circuit, élargissement du spectre (stéréo), matriçage, résonance, transduction de sortie, transponding, synthétisation, etc

 

3.le son circule dans un (ou plusieurs) milieu(x) avant l'écoute finale

-éventuel voyage sous forme d'ondes électromagnétiques, s'il va à grande distance (téléphonie, T.V., radio...puis nouvelle nécessité de transducteurs en fin de course, pour revenir à des ondeacoustiques

-voyage dans le milieu où aura lieu l'audition, sous forme immédiate d'ondeacoustiques

Et il faut alors corriger, à cause des ennuis de parcours (absorption, atténuation, amortissement, résonance, diffraction, distorsions, effet de sol, effet de proximité, variation d'impédance du milieu, interférences, matité, variation de pression, réflexions, réverbération, présence de vent, modification de vibration, etc)

 

4.l'audition

-l'ouïe humaine

-les émetteurs-récepteurs

-le cas de l'insonorisation 

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seuils acoustiques

Un seuil en Physique, est une limite (en général inférieure) en-deçà de laquelle un phénomène ne produit plus d'effet.

 

-le seuil d'audibilité

est la plus petite puissance surfacique perçue par l'oreille

(c'est 5,3.10-10 W/m² à 1000 Hz)

-le seuil de perception sonore

est le minimum de pression acoustique perçue par l’oreille

(c'est 2.10-5 Pa à fréquence de 103 Hz)

-le seuil de durée

est la plus petite durée perçue entre 2 sons distincts échelonnés (c'est 10 millisecondes)

-le seuil SDI ou DIJ

est la plus petite différence d'audibilités perceptible (c'est 0,1 %)

-le seuil SDF ou DLF

est la plus petite différence de fréquences perceptible (c'est ~ 0,35 %)

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sons

L'acoustique est l'étude des sons (formation, propagation, réception) des vibrationdans un milieu élastique.Ces vibrationsont celles des molécules du milieu de transmission, autour de leur position d'équilibre, qui sont propagées sous forme d'ondes longitudinales ou même transversales (cas des cordes)

Un son est composé de plusieurs vibrations dont les caractéristiques (oscillations, amplitudes et fréquences) sont différentes: c'est le spectre du son

L'adjectif sonore indique que le son est agréé par l'ouïe -humaine ou animale-qui, grâce au tympan, provoque l'audition à travers le thalamus puis le cortex du système nerveux.

 

CARACTERISTIQUES DES SONS et de leur MILIEU d'EVOLUTION

-l'amplitude 

dans l'onde acoustique supposée sinusoïdale d'équation lé = lA.sin(ωt + φ)

lA(m) est l'amplitude, longueur-extrêmum de l'élongation lé(quand le sinus =

- 1 ou +1), t(s) est le temps,  ω(rad/s) est la vitesse angulaire et φ(rad)est l'angle de déphasage

L'amplitude des vibrations acoustiques va de 10-11 à 10-6 mètre

 

-l'audibilité

est la puissance surfacique émise par une source de sons (cette puissance surfacique est souvent nommée à tort "intensité" par ceux qui osent confondre surface plane et  angle solide !)-- l'intensité étant pour sa part une puissance spatiale--

Le niveau d'audibilité provient de l'appréciation logarithmique de l'audibilité, sous la relation     n décibelaudib= 10log10(p* /p*0

où  p* = audibilité (puissance surfacique) émise par un émetteur de sons et p*= audibilité de référence choisie = 5,3.10-10 W/m²

---le bruit rose est un ensemble de sons (entre 125 et 4000 Hz) ayant une  audibilité diminuant en raison inversement proportionnelle de la fréquence

---le  bruit rouge est un bruit 2 fois plus intense que le bruit rose

 

-la densité volumique d'énergie acoustique

transportée (par l'onde)   est pa = (1/2).vc².r'

Et elle répond aussi à l'équation d'Euler >>>  gradpa = -r'.dvc / dt

où pa(Pa) densisté (idem pression) acoustique, r'(kg/m3) la masse volumique, vc (m/s) la célérité, t(s) le temps

 

-la durée

est le temps (mesuré en secondes) pendant lequel le milieu est perturbé par l'onde . Il est découpé en attaque du son --définissant les premiers instants de son apparition, avec une amplitude maximale-- puis en corps du son --pendant lequel l'amplitude s'atténue-- et enfin l'extinction du son-- dès lors que l'amplitude devient extrêmement faible, tendant à s'annuler--

 

-la fréquence

Les fréquences < 20 Hz sont des infrasons, inaudibles

La fréquence de 20 Hz (longueur d'onde 17 m.) est la première audible chez l'humain

Les fréquences fondamentales de la voix (émission de langage) sont d'environ [100 à 150 Hz] chez l'homme, [200 à 300 Hz] chez la femme et [320 à 450 Hz] chez l'enfant

La fréquence de 1000 Hz est très bien perçue par l'oreille et de ce fait, sert de référence pour les divers niveaux utilisés en sonométrie

Les fréquences entre 2000 et 5000 Hz sont bien perçues, mais mal différenciées

La fréquence de 20000 Hz (longueur d'onde 0,017 m.) est la dernière audible

Au-delà de 20 kHz, ce sont des ultrasons, inaudibles

Au-delà de 1011 Hz, ce sont des hypersons

 

-la hauteur du son

est une gamme de fréquence (une hauteur aigue, une hauteur grave, une hauteur d'octave....)

 

-l'impédance acoustique du milieu

dans lequel évolue le son est Zéa = vc.f² / pa

où Zéa (m²/kg-s) = impédance acoustique de rayonnement d’une source sonore

vc(m/s)= vitesse de propagation

f(Hz)= fréquence

pa(Pa)= pression acoustique

Valeurs d'impédances (en kg/m²'s) >>> acier (4.107)--air(430)--béton (8.103)--

eau (1,4.106)-- verre (1,3.107)

 

-l'impédance acoustique  spécifique du milieu

est B* = pavc

où B*(rayl) = impédance acoustique spécifique

vc(m/s)= vitesse de propagation

pa(Pa)= pression acoustique

Valeurs d'impédances >>> 410 rayls pour l'air et 1,45 millions rayls pour l'eau

 

-l'intensité sonore

est une puissance diffusée dans un angle solide et est donc exprimée en Watt/stéradian. C'est P'(W/sr) = P(Watt)/W (l'angle solide d'émission)....

Le mot intensité (sonore) est souvent abusivement confondu avec l'audibilité, qui est pour sa part une puissance surfacique et non pas spatiale (et elle exprimée en W/m²)

L'intensité est surtout exprimée dans des rapports logarithmiques, dits niveaux, avec comme unité le décibel ITS (dBITS)

 

-la longueur d'onde

est l(en m.) = vc/ f    c'est à dire [célérité du son (m)] / [fréquence (Hz)]

Comme vc = 340 m/s dans l'air, on y a les longueurs d'ondes suivantes >>>

l = 17 m correspond à 20 Hz ///l = 1 m correspond à 300 Hz ///l = 0,017 m correspond à 20.000 Hz

 

-les niveaux

l'oreille humaine présente une disposition à reconnaître les caractéristiques sonores, selon une appréciation logarithmique décimale.

Donc on utilise, pour mesurer des différences de pressions--ou de puissances ou autres notions acoustiques-- des échelles logarithmiques, dites niveaux. Ce sont des rapports donnant l'évolution de l'une desdites notions, entre 2 moments différents

La mesure en est exprimée en décibel, unité définie pour chaque niveau par une relation du genre>>> n décibel = K.log(G1 / G0)  où K est une constante numérique, (log) est le logarithme --en général en base décimale-- G est la grandeur à étudier, G1 est la valeur prise par G dans l'expérience et G0 est une valeur de référence, utilement choisie parmi toutes les valeurs prises par G.

 

-la portée du son 

est la distance maximale de perception de la source sonore

Le volume qui est construit dessus est dit "champ sonore"

 

-la pression acoustique portée par le milieu où se propage l'onde porteuse

est--en supposant que la vibration de l'onde soit harmonique--

p = p0 + pa.cos[2p.f(t - l/vc)]  où les p (Pa) sont les pressions respectivement totale, statique et acoustique d'origine, f(Hz) est la fréquence, l(m) la position et vc la célérité

La pression acoustique efficace est pa 2)

La pression décroit avec la distance:

--pour une source sphérique de rayon lr0    p = pa(lr0 / l) l étant la distance

--pour une source cylindrique de rayon lr1    p = pa(lr1 / l)1/2

Les variations de pression font vibrer l’oreille externe (en général de l'air, fluide ambiant)puis fait vibrer le liquide de l'oreille interne, car le tympan est un oscillateur.

Pour mesurer les phénomènes acoustiques, on peut se référer aussi bien à la pression acoustique qu'à la puissance acoustique, ou qu'à l'intensité acoustique, car elles dépendent l'une de l'autre :  P = P'.W = p*.S = p².S / r'.vc= S.l.p.f  = Q.p.S / l²

où P est la puissance, p la pression, P' l'intensité, W l'angle solide, S la section, p* la puissance surfacique --ou audibilité--f la fréquence, l la distance, Q le débit, r' la masse volumique et vc la célérité.

Les extrêmes de pression acoustique sont : d'une part la référence au seuil de pression perceptible (norme DIN, = 2.10-5 Pa) et d'autre part le seuil d'intolérance à 2.10Pa (et cela dans la zone 500 / 5000 Hz)

L'équation d'Euler  rappelle par ailleurs la relation entre pression et célérité

gradp = -r'.dvc / dt

En mesures logarithmiques, on utilise le niveau sonore (mesuré à travers les pressions) c'est  yu(en dBSPL) = 20 log(p / 2.10-5)

 

-la puissance

a)-la puissance mécanique d'émission d'une onde acoustique, correspond à l'énergie instantanée dépensée pour créer le rayonnement acoustique (c'est ce qu'on dépense en soufflant, en tapant, en vibrant...) Exemples >> jouer de l'orgue électronique nécessite une puissance de 40 W--jouer de la flûte, c'est 100 W--jouer du piano ou de la trompette,  c'est 150 W)--jouer de la batterie, c'est 180 W--

b)-mais la puissance acoustique résultante est beaucoup moindre (quelques pourcents) car  elle a subi les pertes dues aux frottements, affaiblissements, chocs, chaleur, etc

Cette puissance résultante vibratoire du son, est portée par une onde sphérique autour de l'émetteur (supposé également sphérique*) et lancée à travers un milieu supposé isotrope.

*en théorie, on parle parfois d'émetteur monopôle, une petite sphère émettrice qui engendre une puissance omnidirectionnelle.

En pratique, on sait que l'émission concerne seulement une 1/2 sphère (angle solide de 2p stéradians) qui fait face à la réception (audition ou ou prise de son)

La puissance du rayonnement acoustique diminue en fonction du carré de la distance à laquelle on la perçoit, selon les lois >>

P(Watt) = S.l.p.f P = Q.p.S / l²    et   P = p².S / r'.vc

où S(m²)= surface, l(m) est la distance à la source, p(Pa) la pression acoustique, f(Hz) la fréquence du son dans le milieu du déplacement,  r'(kg/m3)= masse volumique et Q(m3/s)= débit

En mesures logarithmiques, on utilise surtout -en phonie- la variation des puissances émises, avec un décibel dit Watt à un mètre, provenant de la relation n dBW/1  = 10 log10(P / P0)

où la valeur de la puissance de référence (P0) est prise = 4.10-10 W à 1m

 

-la pureté du son

--un son pur (ou simple) est un son à onde sinusoïdale de fréquence et amplitude constantes

--un son complexe est une somme de sons purs (l'onde n'est alors plus sinusoïdale, ni à fréquence constante)

--un son ayant une onde dont les oscillations sont régulières est musicale

 

-les seuils acoustiques

-le seuil d'audibilité

est la plus petite puissance surfacique perçue par l'oreille

(c'est 5,3.10-10 W/m² à 1000 Hz)

-le seuil de perception sonore

est le minimum de pression acoustique perçue par l’oreille

(c'est 2.10-5 Pa à fréquence de 103 Hz)

-le seuil de durée

est la plus petite durée perçue entre 2 sons distinctséchelonnés (c'est 10 millisecondes)

-le seuil SDI ou DIJ

est la plus petite différence d'audibilités perceptible (c'est 0,1 %)

-le seuil SDF ou DLF

est la plus petite différence de fréquences perceptible (c'est ~ 0,35 %)

 

-le timbre acoustique

est le regroupement de divers paramètres du son, permettant à l'oreille de reconnaître son origine.On peut citer, comme composantes du timbre:

-la forme (enveloppe) de la décomposition spectrale fréquentielle

-l'habillage (pourcentage) des différentes harmoniques

-l'évolution des fréquences au cours du temps (dont à l'attaque et à la chute)

-la prise en compte de diverses modulations (vibrato)

 

-la vie d'un son

Voir chapitre spécial

 

-la vitesse du son

est donnée par l'équation de la célérité  v = l.f  où est la longueur d'onde et f la fréquence

L'onde acoustique se propage dans l'air à 340 m/s, dans l'eau à 1500 m/s, dans l'os à 3500 m/s, dans l'acier à 6000 m/s (et à 0 m/s dans le vide, puisqu'il n'y a alors aucune molécule qui pourrait vibrer)

Des facteurs perturbateurs du milieu (humidité, température, pression, impédance...) influencent la vitesse de propagation de l'onde porteuse du son

Dans l'air, la vitesse du son est (1,4.1010 pa r')1/2 où pa est la pression atmosphèrique (1,013.10-5 Pa au sol) et r' la densité de l'air (1,18 kg/m3)

-cas particulier de vitesse: le mur du son >>> voir chapitre spécial

 

-le volume acoustique

n'est pas une grandeur particulière; c'est simplement la partie de l'espace dans lequel on mesure les phénomènes acoustiques

Par contre, le volume sonore est un cas particulier de niveau sonore, mesuré avec un sous-multiple logarithmique du phone, dénommé sone, tel que

n sones = 2(x- 40)/10 où x est le nombre de phones (niveau sonore pondéré)

 

-le bruit

voir chapitre spécial

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ultrasons

Les ultrasons sont des ondes mécaniques élastiques se propageant dans tous supports fluides ou solides.Leurs fréquences sont comprises entre (1,6.104 et 1011 Hertz) Au-delà, ce sont des hypersons (jusqu'à  1013 Hz)

-principaux usages

Vitesse de quelques milliers de mètres/s. Longueur d’onde de l'ordre millimétrique

--contrôle non-destructif (CND/US) permettantde détecter des défauts (vides, fissures, inclusions dans l’intérieur des matériaux ouleurs assemblages)

--perçage de matériaux durs et fragiles (céramique, verre...)

--nettoyage par ultrasons

--soudage de matières plastiques ou métalliques

--domaine médical (lithotripsie, hyperthermie)

--appareils de micro-acoustique (microphones à silicium)-sonars

--appareils de filtrage radio-fréquence (duplexeurs BAW) , oscillateurs programmables, résonateurs)

--appareils dits à ultrasons laser (cristaux).

--répulsifs à ultrasons (contre animaux)

--éthologie (un chat perçoit jusqu'à 25 kHz, un chien jusqu'à 35 kHz, une chauve-souris jusqu'à 100 kHz, un dauphn jusqu'à 200 kHz)

 

-échographie

système composé d'un émetteur-projecteur d'ondes ultrasonores, d'une sonde réceptrice

(numérique ou analogique), d'un transducteur pour enregistrement (sur bande, sur disque ou sur mémoire), d'un moniteur de visualisation

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volume sonore

Le volume sonore

est un synonyme de sonie, qui est elle-même une fille du niveau sonore

Il s'agit surtout d'utiliser une unité décibélique plus importante (le sone) ce qui  limite l'utilisation de grosses valeurs 

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