Son : émission, propagation et perception

Émission. Un signal sonore est émis par un objet mis en vibration : un mouvement de va-et-vient rapide autour d’une position d’équilibre (corde, membrane d’un haut-parleur, cordes vocales, lame, colonne d’air d’une flûte). En vibrant, l’objet comprime puis dilate (détend) la couche d’air qui le touche.

Caisse de résonance. Une corde tendue seule met très peu d’air en mouvement : le son est faible. Reliée à une caisse (guitare, violon) ou à une table, elle lui transmet sa vibration ; cette grande surface déplace beaucoup plus d’air : le son est amplifié, et son timbre est modifié.

Propagation. Chaque tranche du milieu, mise en mouvement, pousse la suivante puis revient à sa place : la perturbation avance de proche en proche, la matière reste en moyenne sur place. Le son est une onde mécanique : il transporte de l’énergie sans transport de matière. Il lui faut un milieu matériel (gaz, liquide ou solide) : dans le vide, rien ne transmet la vibration. Une sonnette placée sous une cloche dont on pompe l’air devient presque inaudible, alors qu’on la voit toujours vibrer.

Réception. Les variations de pression de l’air font vibrer à leur tour un récepteur : le tympan de l’oreille ou la membrane d’un microphone, qui les convertit en tension électrique.

Émetteur, milieu, récepteur : l’air est comprimé et dilaté tour à tour, mais aucune tranche d’air ne fait le voyage.

Vitesse de propagation. Si le son parcourt la distance d pendant la durée Δt, sa vitesse vaut v = d ÷ Δt (d en mètres, Δt en secondes, v en m/s). On en tire d = v × Δt et Δt = d ÷ v.

Valeur à connaître. Dans l’air, v ≈ 340 m/s (343 m/s à 20 °C). Elle augmente avec la température de l’air. Le son va plus vite dans les liquides et encore plus vite dans les solides, où les entités du milieu sont proches et liées.

Comparer. 343 m/s, c’est 343 × 3,6 ≈ 1 235 km/h. La lumière va à 3,00 × 10⁸ m/s : près d’un million de fois plus vite que le son dans l’air. Quand on voit un événement lointain et qu’on l’entend ensuite, la durée de trajet de la lumière est négligeable.

Mesurer la vitesse du son. Deux microphones sont alignés avec la source, à la distance d l’un de l’autre, et reliés à une interface d’acquisition. Le son atteint le second micro avec un retard Δt lu sur l’enregistrement : v = d ÷ Δt. En recommençant pour plusieurs distances, on vérifie que Δt est proportionnel à d ; le coefficient de proportionnalité donne v.

Écho. Un son réfléchi par un obstacle revient à son point de départ : il a parcouru l’aller-retour, soit 2d, d’où d = v × Δt ÷ 2.

Les deux micros sont à 1,02 m l’un de l’autre. Le claquement arrive au micro 2 avec un retard Δt = 3,0 ms.

Chaîne de mesure. Un microphone (le capteur) convertit les variations de pression de l’air en une tension électrique u(t). Une interface d’acquisition reliée à un ordinateur, un oscilloscope ou un smartphone en affiche la représentation temporelle : la courbe de u en fonction du temps. La fréquence du signal obtenu est celle de la vibration de l’objet qui émet le son.

Signal périodique. Un son tenu donne un signal dont un motif se répète identique à lui-même. Mathématiquement, u est une fonction périodique : u(t + T) = u(t) pour tout instant t.

• Période T (en s) : la plus petite durée au bout de laquelle le signal se reproduit identique à lui-même, mesurée entre deux points identiques de deux motifs successifs (deux maximums, par exemple).
• Fréquence f (en hertz, Hz) : le nombre de périodes par seconde, f = 1 ÷ T avec T en secondes.
• Amplitude : l’écart maximal du signal par rapport à sa valeur moyenne (ici 0 V).

Conversions : 1 ms = 10⁻³ s ; 1 µs = 10⁻⁶ s ; 1 kHz = 10³ Hz. Sur un oscilloscope, une durée se lit en divisions : durée = nombre de divisions × balayage (en ms/div).

Son pur, son complexe. Un diapason donne un signal sinusoïdal : c’est un son pur. Un instrument ou la voix donnent un signal périodique de forme plus compliquée : c’est un son complexe, qui a lui aussi une période bien définie. Un bruit (un froissement) n’est pas périodique.

Représentation temporelle d’un son complexe : cinq périodes occupent 11,0 ms.

Produire un son avec un microcontrôleur. Une carte à microcontrôleur peut faire vibrer un petit haut-parleur (ou un buzzer) relié à une de ses sorties : la sortie passe à 5 V, attend, revient à 0 V, attend, et recommence. Le motif « 5 V puis 0 V » dure une période : T = durée à 5 V + durée à 0 V. Ce signal en créneaux n’est pas sinusoïdal : le son produit est complexe. L’instruction tone(8, 440) fait la même chose : elle produit sur la sortie 8 un signal en créneaux de fréquence 440 Hz.

void loop() {
  digitalWrite(8, HIGH); // sortie à 5 V
  delayMicroseconds(1136);
  digitalWrite(8, LOW);  // sortie à 0 V
  delayMicroseconds(1136);
}

Hauteur. Un son est d’autant plus aigu que sa fréquence est élevée, d’autant plus grave qu’elle est faible. Deux sons de même fréquence ont la même hauteur : c’est la même note. Monter d’une octave revient à multiplier la fréquence par 2.

Timbre. Deux instruments qui jouent la même note (même fréquence) avec la même force ne « sonnent » pas pareil : leurs signaux ont la même période et la même amplitude, mais des formes différentes. Le timbre est lié à la forme du signal.

Sons A et B : même période (2,0 ms), même amplitude (0,8 V), formes différentes.

Domaines de fréquences. Une oreille humaine jeune perçoit les sons de 20 Hz à 20 kHz environ. En dessous de 20 Hz : les infrasons ; au-dessus de 20 kHz : les ultrasons. Avec l’âge, les sons les plus aigus ne sont plus perçus : la limite haute baisse.

Intensité sonore. L’intensité sonore I (en watts par mètre carré, W/m²) mesure la puissance sonore reçue par unité de surface. Plus l’amplitude de la vibration est grande, plus I est grande et plus le son est perçu fort. I diminue quand on s’éloigne de la source.

Niveau d’intensité sonore. L (en décibels, dB) se mesure avec un sonomètre. Il repère l’intensité sonore sur une échelle adaptée à l’oreille : L augmente quand I augmente, mais pas proportionnellement. C’est une échelle non linéaire :

• intensité multipliée par 2 → niveau augmenté de 3 dB (deux sources identiques au lieu d’une) ;
• intensité multipliée par 10 → niveau augmenté de 10 dB (dix sources identiques au lieu d’une).

Dangers. Au-delà d’environ 85 dB, une exposition prolongée abîme les cellules ciliées de l’oreille interne : fatigue auditive, acouphènes (sifflements, bourdonnements), puis surdité partielle définitive, car ces cellules ne se régénèrent pas. Vers 120 dB, le son devient douloureux. Le danger dépend du niveau et de la durée. Repère de prévention : 8 h par jour à 85 dB, durée divisée par 2 à chaque hausse de 3 dB (l’intensité double, la durée tolérable est divisée par deux).

Se protéger. S’éloigner des enceintes, porter des bouchons d’oreille, faire des pauses au calme, limiter le volume et la durée d’écoute au casque.