Pour les articles homonymes, voir Son.

Le son est une onde produite par la vibration mécanique d'un support fluide ou solide et propagée grâce à l'élasticité du milieu environnant sous forme d'ondes longitudinales. Par extension physiologique, le son désigne la sensation auditive à laquelle cette vibration est susceptible de donner naissance.

La science qui étudie les sons s'appelle l'acoustique. La psychoacoustique combine l'acoustique avec la physiologie et la psychologie, pour déterminer la manière dont les sons sont perçus et interprétés par le cerveau.

Fréquence et hauteur

La fréquence d'un son est exprimée en hertz (Hz), elle est directement liée à la hauteur d'un son perçu, mais n'en est qu'une des composantes (voir l'article Psychoacoustique). À une fréquence faible correspond un son grave, à une fréquence élevée un son aigu.

Tout être vivant doté d'une ouïe ne peut percevoir qu'une partie du spectre sonore :

• les physiologistes s'accordent à dire que l'oreille humaine moyenne ne perçoit les sons que dans une certaine plage de fréquences située environ (selon l'âge, la culture, etc.), entre 16 Hz (en dessous les sons sont qualifiés d'infrasons) et 20 kHz (au-delà les sons sont qualifiés d'ultrasons puis d'hyperson au dessus de 1 GHz) ;
• le chat peut percevoir des sons jusqu'à 65 kHz ;
• le chien perçoit les sons jusqu'à 45 kHz ;
• la chauve-souris et le dauphin peuvent percevoir les sons de fréquence 500 kHz.

Certains animaux utilisent leur aptitude à couvrir une large bande de fréquences à des fins diverses :

• les éléphants utilisent les infrasons pour communiquer à plusieurs kilomètres de distance ;
• les dauphins communiquent grâce aux ultrasons ;
• les chauve-souris émettent des ultrasons (100 kHz) avec leur système d'écholocation leur permettant de se déplacer et de chasser dans le noir total.

Pour avoir les fréquences correspondant aux notes de musique de la gamme tempérée (musique classique occidentale), voir Gamme tempérée > Comparaison de 3 systèmes de division de l'octave.

Amplitude et pression sonore

L'amplitude est une autre caractéristique importante d'un son. La pression sonore perçue dépend (entre autres) de l'amplitude et correspond dans l'air aux variations de pression de l'onde. Le son peut être fort ou doux (les musiciens disent forte ou piano).

Grandeur de l'onde sonore, sonie

On peut utiliser deux grandeurs, liées entre elles, pour exprimer le niveau sonore : l'intensité acoustique, en watts par mètre carré, ou la pression acoustique, en pascals (newton par mètre carré, N.m^-2). On mesure la pression acoustique avec un sonomètre ; l'intensité acoustique sert pour les calculs.

Cependant, on utilise rarement ces unités physiques dans la communication courante.

• Il est peu commode de représenter des valeurs de pression acoustique en Pascals (Pa) étalées sur une échelle de un à un million, des sons les plus faibles aux plus forts, et moins encore de représenter les intensités, étalées sur une échelle de un à mille milliards.
• La sensibilité de l'oreille est relative, c'est-à-dire qu'une augmentation de la pression acoustique de 1 Pa à 1,5 Pa est perçue comme identique à une augmentation de 0,1 Pa à 0,15. Ce qui compte, c'est le multiplicateur (dans les deux cas, +50%).

La pression sonore et l'intensité s'expriment souvent en décibels (dB). C'est une grandeur sans dimension, un Bel étant le logarithme décimal du rapport de puissance entre une grandeur caractéristique du son étudié et celle d'un son de référence. Ces valeurs de référence sont, pour l'intensité acoustique, I₀ = 1×10^-12 W⋅m^-2 (un picowatt par mètre carré) et pour la pression acoustique P₀ = 2×10^-5 Pa (20 micropascals).

Les décibels se réfèrent au logarithme décimal de la puissance. L'intensité acoustique est une puissance par mètre carré, donc multiplier l'intensité acoustique par 10, c'est augmenter le niveau sonore de 10 dB, la multiplier par 100, c'est augmenter le niveau de 20 dB, etc. La puissance est proportionnelle au carré de la pression : multiplier la pression acoustique par 10, c'est multiplier la puissance par 100, donc augmenter le niveau de 20 dB, et multiplier la pression acoustique par 100, c'est multiplier la puissance par dix mille, et ajouter 40 dB au niveau.

Le niveau 0 dB correspond à un son pratiquement imperceptible. Tous les niveaux sonores sont donc des nombres positifs.

Le niveau de pression acoustique ne donne qu'une première idée de la sonie ou bruyance (sensation sonore perçue). La sensibilité de l'oreille varie selon la fréquence du son ; l'oreille est plus sensible aux fréquences moyennes. Pour se rapprocher de cette sensibilité, le signal électrique qui représente la pression acoustique peut être filtré. De nombreuses lois et règlements imposent un filtre à pondération « A ». On parle alors de décibel pondéré A ( dB A).

Différentes mesures du niveau d'un son

Pour évaluer le niveau d'un son, on dispose des mêmes grandeurs que pour les autres signaux de nature ondulatoire :

• la valeur moyenne (moyenne arithmétique de la pression acoustique) ;
• la valeur efficace (moyenne quadratique de la pression acoustique ou moyenne de l'intensité acoustique, équivalent à une puissance) ;
• la valeur de crête (l'écart maximal de la pression acoustique instantanée par rapport à la pression atmosphérique ambiante) ;
• les valeurs efficaces pondérées en fréquence.

La valeur moyenne est facile à produire avec des instruments simples, mais elle présente peu d'intérêt. La valeur efficace ou RMS, pour Root Mean Square en anglais, représente mieux les caractéristiques du son.

Dans les études de protection contre les bruits, on considère les amplitudes efficaces pondérées en fréquence et cumulées sur le temps d'exposition, mais aussi les valeurs de crête, qui peuvent, si elles sont excessives occasionner un traumatisme, sans pour autant affecter les valeurs efficaces cumulées si elles sont en même temps brèves ou rares.

Toutes ces mesures se réalisent sur un point. Mais le son se propage en ondes dans l'espace. L'étude d'un son inclut l'étude de sa propagation dans les trois dimensions, et pour un point donné, la mesure peut inclure celle de la direction d'origine ou des directions d'origine.

Timbre

Le timbre est "ce qui dans le signal acoustique permet d'identifier la source"^[1].

Les éléments physique du timbre comprennent :

• la répartition des fréquences dans le spectre sonore,
• les relations entre les parties du spectre, harmoniques ou non,
• les bruits colorés existant dans le son (qui n'ont pas de fréquence particulière, mais dont l'énergie est limitée à une ou plusieurs bande de fréquence),
• l'évolution dynamique globale du son,
• l'évolution dynamique de chacun des éléments les uns par rapport aux autres.

La sélection des éléments pertinents est une question Psychoacoustique.

Classes de signaux acoustiques

Comme tous les phénomènes perçus, le temps joue un rôle fondamental pour l'acoustique (et encore plus en musique). Il existe même des relations très étroites entre l'espace et le temps, vu que le son est une onde qui se propage dans l'espace au cours du temps.

On distingue trois grandes classes de signaux acoustiques pour l'étude de la réponse acoustique des systèmes:

• périodiques, dont la forme se répète à l'identique dans le temps ;
• aléatoires, qui n'ont pas de caractéristiques périodiques. D'une manière générale, on ne s'intéresse qu'à un ensemble restreint de ces signaux ; ceux qui ont des caractéristiques statistiques stables dans le temps. On les appelle signaux aléatoires ergodiques. Concrètement, c'est le cas des bruits « blanc ou rose » utilisés par les scientifiques et certains artistes ;
• impulsionnels : qui ne se répètent pas dans le temps et ont une forme déterminée.

Tous les signaux peuvent être définis et analysés indifféremment dans l'espace temporel ou dans l'espace fréquentiel. Dans ce dernier, on aura souvent recours à l'utilisation du spectre du signal, calculé depuis sa définition fréquentielle (dite du domaine de Fourier). Le spectre d'un signal représente les différentes « notes » ou sons purs que contient un son, appelés partiels. Dans le cas d'un signal périodique stable comme une sirène, le spectre n'évolue pas au cours du temps et présente une seule valeur appelée « raie ». Il est en effet possible de considérer tout son comme la combinaison d'un ensemble de « sons purs » qui sont des sinusoïdes (voir à ce sujet l'article sur la transformée de Fourier).

Annexes

Articles connexes

• Son
• Son musical
• Bruit, ultrason, infrason ;
• Onde, Onde mécanique progressive ;
• Vitesse du son, Mur du son ;
• Effet Doppler-Fizeau ;
• Ingénieur du son ;
• Sonothèque ;
• Sonorisation ;
• Sonification ;
• Enregistrement sonore
• Formation aux métiers du son ;
• Thermoacoustique.

Bibliographie

• Michel Chion, Le Son, Armand Colin, Paris, 2006, (ISBN 2-200-34103-2)

Liens externes

• La Semaine du son, manifestation annuelle, Paris
• Le festival annuel "World of sound" à Saint-Pétersbourg, Russie
• (fr) La nature du son
• (fr) Audiomaniac - L'univers des sons et des effets sonores : La physique du son

Références

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