Qu’est-ce que le son ? Le son que nous percevons est une vibration de l’air qui parvient à nos oreilles, cette vibration est ensuite décodée par notre cerveau qui a appris à identifier les sons. Les sons font partie de notre environnement, nous produisons des sons qui nous servent à communiquer, les autres animaux produisent des sons et entendent eux aussi des sons. Par exemple, les araignées entendent les vibrations sonores par des récepteurs situés sur leur pattes, ainsi elles peuvent différentier les battements d’ailes de l’insecte pris dans sa toile de ceux d’un oiseau voulant se nourrir. Les cétacés ne possèdent pas de pavillon auditif, entendent par les os qui transmettent les signaux sonores transporté par le milieu aquatique.
Chez les humains, c’est l’air qui permet d’entendre, mais pas que…
Quand on écoute aux portes, je sais qu’il ne faut pas le faire, mais on a tous été enfant… Le son est transmis par voie solide, par conduction osseuse pour faire vibrer le tympan qui envoie les signaux ainsi entendus au cerveau par l’intermédiaire du nerf auditif.
Et puisque c’est le cerveau qui entend et que le cerveau est plastique, il peut entendre le son par voie épidermique ou osseuse(1).
La vibration est principalement captée par notre oreille. L’air qui nous entoure est le support qui permet de transmettre la vibration à notre système auditif.
Qu’est ce qui peut faire vibrer l’air ? La décharge électrostatique disruptive de l’électricité accumulée dans l’air produit un rayonnement électromagnétique visible : l’éclair, et accompagné d’une brutale rupture de pression d’une colonne d’air qui produit une violente impulsion sonore. Quelle est la nature d’une impulsion ? Une impulsion pure contient toutes les fréquences d’un spectre. Le tonnerre est donc la partie sonore de la foudre qui est transmise par l’air. La foudre produit le son naturel le plus fort dans l’échelle de niveau sonores.
Il existe différentes façon de produire un son, les corps solides font vibrer l’air. Nous avons la faculté de faire vibrer nos cordes vocales, nous produisons des sons en générant un filet d’air continu qui fait entrer en résonance notre cavité buccale, c’est comme cela que l’on siffle joyeusement. La nature produit une infinité de sons : par exemple les gouttes d’eau qui tombent sur le sol font vibrer l’air, le vent fait vibrer les feuilles des arbres, ce qui produit un bruit. Il existe mille façon de générer un bruit, sauter dans une flaque d’eau produit la vibration de l’air.
Nous possédons la faculté d’entendre sous l’eau des sons qui sont transmis par l’air à la surface de l’eau. Il en est de même pour des vibrations aériennes qui sont transmises par des solides.
La transmission des ondes sonores peut donc être effectuée soit par des fluides liquides ou gazeux, soit par des solides.
L’étude acoustique permet de favoriser ou de d’atténuer la propagation des signaux sonores.
Pour simplifier les choses, seuls deux modes de transmissions sont retenues pour quantifier les sons :
- La transmission par voie solidienne
La transmission par voie aérienne
Notre appareil auditif transforme les vibrations acoustiques en signaux électriques qui sont interprétés par le cerveau. Notre mémoire attribue à chacun des sons que nous entendons un effet agréable ou désagréable en fonction de notre vécu, pour cette raison ; certains sons sont considérés comme du plaisir, du bruit par ou de l’indifférence. Passé un certain seuil de pression acoustique, le son devient une nuisance, l’appareil auditif n’étant pas conçu pour dépasser certaines limites, le son est ressenti alors comme une douleur physique, notamment lorsque l’appareil auditif est menacé de destruction.
Pollution sonore
Nous vivons dans un environnement où les bruits sont produits par des machines, et même s’ils ne sont pas forts la présence de bruits permanents peut entrainer une situation de stress préjudiciable à la santé.
L’électroacoustique est la transformation d’un signal acoustique en un signal électrique ainsi que l’inverse. Ainsi la vibration d’une membrane d’un microphone est transformée en un signal électrique qui peut être enregistré, stocké, dans des buts d’analyse ou de reproduction. Ceci peut être effectué de manière analogique ou numérique. Je prends l’exemple du sonomètre qui est un outil de mesure du son et qui possède un capteur qui transforme la vibration mécanique en un signal électrique qui peut être numérisé, et donc stocké sur la mémoire d’un support numérique. Il est à noter que les premiers sonomètres se servaient d’un enregistreur analogique pour le stockage des informations sonores.
La quantification d’un phénomène vibratoire fait appel à plusieurs grandeurs dont l’amplitude, la vitesse de propagation, le fréquence et la phase sont les principales parties. La vibration sonore se propage dans un espace à quatre dimensions représenté par le volume et le temps. Les changements de milieu de l’onde sonore introduisent des modifications de celle-ci. Ainsi l’air, qui est un mélange hétérogène, se comportera comme un filtre qui modifiera cette onde. Je reprends le phénomène de la foudre qui est un phénomène naturel connu de tous. Lorsque la foudre tombe à quelques mètres de nous, nous percevons un claquement sec d’une très forte intensité. Lorsque la foudre tombe à quelques kilomètres de nous, nous percevons un grondement sourd de faible intensité sonore. L’air a agit comme un filtre en ne transmettant que les basses fréquences et en réduisant l’amplitude de l’onde. Le bruit arrive très nettement après l’éclair lumineux, la vitesse de propagation d’une onde sonore est très nettement inférieure à celle d’une onde lumineuse, pour rappel la vitesse de la lumière est de 299 792 458 m/s dans le vide alors que celle du son est d’environ 340 m/s dans l’air et d’environ 3 000 m/s à 6000 m/s dans un solide.
Les unités de mesure
Le son est une variation de pression que l’on peut caractériser par sa fréquence, son origine temporelle et son amplitude. La fréquence est un phénomène périodique qui est l’inverse de la période exprimée en secondes. On peut aussi caractériser la fréquence par la pulsation qui est une vitesse de rotation d’un objet dans le temps, ou bien par une constante de temps, ce qui est bien pratique pour les électroniciens. En acoustique n’est retenue que la fréquence exprimée en Herz et l’amplitude en décibel. Pourquoi utilise-t’on des décibels ? On considère que la fréquence minimale audible est de 20 Hz (son grave) et de 20 000 Hz (son aigu) pour la fréquence maximale. Un petit rappel est que la fréquence la plus basse d’un grand orgue d’église est de 8,1758 Hz. Pourquoi produire de tels sons alors qu’il est généralement admis qu’ils ne sont pas audibles ? J’y reviendrai dans un autre chapitre. La variation de pression minimale mesurée est fixée à 0,00002 Pa, le maximum de l’échelle est de 200 Pa. Soit un rapport de 10 000 000. Pour une meilleure lisibilité, les logarithmes décimaux sont utilisés. Ainsi 20 µPa correspond à 0 dB et 200 Pa correspond à 140 dB. Le doublement de la variation de pression acoustique est de 6,020599913279624 décibels et l’on retiendra 6 dB pour des raisons pratiques. Cette dynamique de 140 dB ne peut pas être reproduite par des enregistreurs analogiques. Un signal numérique quantifié sur 24 bits peut restituer une dynamique de 144,49 dB, je reviendrai sur ces notions dans un autre chapitre.
Propagation d’une onde sonore
La propagation d’une onde sonore peut être visualisée de façon suivante : si l’on considère que l’air est constitué d’une multiplicité de ballons de baudruche gonflés en contact les uns avec les autres, le fait d’exercer un mouvement périodique à l’un des ballons va entraîner le mouvement sur tous les ballons périphériques, chacun des autres ballons vont à leur tour faire vibrer les ballons dans un mouvement concomitant, comme les ballons sont élastiques, un retard dans la transmission de l’énergie est observé, comme les variations de pression entrainent des échauffements, une partie de l’énergie est transformée en chaleur et c’est pour cela qu’il y a une atténuation de la vibration.
Le son se déplace dans l’air qui est constitué de gaz compressibles, la loi des gaz parfaits implique que la variation de pression d’un gaz parfait dépend de la variation de volume multiplié par la variation de température. La vitesse du son est dépendante de la pression et de la température de l’air.
Transmission et réflexion d’une onde sonore
Lorsqu’elle change de milieu, une partie de l’énergie de l’onde sonore fait vibrer le nouveau milieu, l’autre partie est renvoyée par le nouveau milieu. La première partir de l’onde est transmise, la vitesse de propagation de l’onde est modifiée par le nouveau milieu
La résonance
Il se produit un phénomène de résonance lorsque l’onde sonore est propagée dans un milieu dont la géométrie crée une onde stationnaire. Cette onde stationnaire concentre l’énergie du signal d’excitation dans une seule fréquence. On se sert de cette propriété pour construire les instruments de musique. La résonance est aussi utilisée en architecture pour créer l’empreinte acoustique d’une pièce fermée, la réverbération que l’on entend dans une église est créée par de multiples accords de fréquences de résonance introduits par les rebonds du son sur les parois.
(1) Wearable sound : integrative design for hearing and feeling vibrations Claire Richards (thèse de de doctorat 2023)