I. Caractéristiques physiques du son
A. Nature et propagation d'une onde sonore
Le son est une onde mécanique progressive. Cela signifie qu'il a besoin d'un milieu matériel (air, eau, solide) pour se propager. Il ne peut pas se propager dans le vide.
Lorsqu'une source sonore (comme une corde de guitare qui vibre ou un haut-parleur) émet un son, elle crée des perturbations dans le milieu environnant. Ces perturbations se manifestent par des compressions (où les particules du milieu sont plus proches) et des dilatations (où elles sont plus éloignées). Ces variations de pression se propagent de proche en proche.
La vitesse du son () dépend du milieu de propagation et de ses caractéristiques (température, élasticité, densité).
- Dans l'air à 20°C, .
- Dans l'eau, .
- Dans l'acier, .
Deux caractéristiques importantes de l'onde sonore sont sa fréquence () et sa longueur d'onde ().
- La fréquence est le nombre de cycles (ou de vibrations) par seconde. Elle s'exprime en Hertz (Hz).
- La longueur d'onde est la distance parcourue par l'onde pendant une période. Elle s'exprime en mètres (m).
La relation fondamentale entre ces trois grandeurs est : où est la vitesse du son, est la longueur d'onde et est la fréquence.
B. Pression acoustique et amplitude
Une onde sonore est une variation de pression par rapport à la pression atmosphérique ambiante. Quand on parle de pression acoustique, on ne parle pas de la pression atmosphérique totale, mais des petites variations (surpressions et dépressions) qu'ajoute le son.
L'amplitude de l'onde sonore est directement liée à l'intensité de ces variations de pression. Plus les variations de pression sont grandes, plus le son est "fort".
- Ces variations de pression sont généralement très faibles comparées à la pression atmosphérique. Par exemple, un son très fort peut correspondre à une variation de pression de quelques Pascals, alors que la pression atmosphérique est d'environ 100 000 Pascals.
L'unité de la pression acoustique est le Pascal (Pa). L'amplitude de l'onde est liée à l'énergie transportée par l'onde sonore. Plus l'amplitude est grande, plus l'onde transporte d'énergie.
C. Fréquence et hauteur d'un son
La fréquence () d'un son, mesurée en Hertz (Hz), est le nombre de vibrations par seconde. C'est elle qui détermine la hauteur (ou la tonalité) d'un son telle que nous la percevons.
- Une fréquence élevée correspond à un son aigu.
- Une fréquence basse correspond à un son grave.
Le domaine de l'audible pour l'oreille humaine se situe généralement entre 20 Hz (sons très graves) et 20 000 Hz (sons très aigus).
- Les sons dont la fréquence est inférieure à 20 Hz sont appelés infrasons.
- Les sons dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hz sont appelés ultrasons.
La capacité à entendre certaines fréquences diminue avec l'âge, surtout pour les hautes fréquences.
D. Timbre d'un son et harmoniques
Un son pur est un son qui ne contient qu'une seule fréquence (une sinusoïde parfaite). C'est le cas du son produit par un diapason.
La plupart des sons que nous entendons sont des sons complexes. Ils sont composés d'une fréquence fondamentale et de plusieurs autres fréquences, appelées harmoniques.
- La fréquence fondamentale est la fréquence la plus basse et celle qui détermine la hauteur perçue du son.
- Les harmoniques sont des fréquences multiples entiers de la fréquence fondamentale (2f, 3f, 4f, etc.). Par exemple, si la fondamentale est 100 Hz, les harmoniques seront 200 Hz, 300 Hz, 400 Hz, etc.
Le mélange de la fréquence fondamentale et de ses harmoniques, ainsi que leurs amplitudes relatives, donne au son sa qualité unique, appelée le timbre. C'est le timbre qui nous permet de distinguer deux instruments de musique jouant la même note (même fréquence fondamentale) ou deux voix différentes.
Le spectre en fréquence d'un son est une représentation graphique qui montre l'amplitude de chaque fréquence présente dans le son. Il permet de visualiser la composition harmonique du son et donc son timbre.


