Acoustic book

Fréquence et amplitude

La fréquence et l’amplitude sont deux caractéristiques importantes pour leur signification psycho-physiologique. En effet, la détermination des couleurs dépend de la fréquence des ondes lumineuses de même que la hauteur d’un son dépend de la fréquence des ondes sonores en supposant qu’elles ont une amplitude suffisante.
Notre oreille est très sélective et sensible : elle peut percevoir des amplitudes de l’ordre de 0.0000001 cm et des périodes de moins de 0.00007 secondes.
Le tableau ci-dessous montre quelques longueurs d’ondes en cm de quelques sons caractéristiques dans l’air ambiant. Le tableau est constitué de 3 colonnes et 4 lignes. La première colonne donne l’échelle de sons, la deuxième une fréquence moyenne et la dernière donne la longueur d’onde correspondante.

L’oreille d’une jeune personne peut entendre les sons dont les fréquences sont comprises entre 16 Hz et 20 000 Hz. C’est-à-dire à peu près 10 octaves musicales. Nous parlerons du concept d’octave plus tard.
La comparaison avec le spectre d’ondes visibles est intéressante, car il n’excède pas une octave.
Les sons au-dessous de 16 Hz ne sont pas entendus comme de vrais sons, mais ils peuvent être perçus, s’ils sont de grande intensité, en tant que vibrations. Il y a des animaux capables d’entendre des sons très aigus, comme les chiens, qui peuvent entendre jusqu’à 30 000 Hz, et les chauves-souris, capables d’entendre jusqu’à 90 000 Hz. En-dessous de 16 Hz, les ondes sonores sont appelées infrasons, tandis qu’au-delà de 20 000 Hz, elles sont appelées ultrasons.
En pratique, la fréquence minimale reproductible est donnée par l’orgue, il produit des sons d’une fréquence de 16,35 Hz jusqu’à 4 000 Hz.
Voici un tableau montrant les fréquences tempérées dans le spectre audible:

Célérité du son

Pour illustrer le mécanisme de la propagation des ondes sonores, par souci de simplicité nous considérons une impulsion se déplaçant le long d'une forme semi-cylindrique, telle que l'air à l'intérieur d'un cylindre.
La figure 14 montre un volant qui est relié à une bielle et un piston qui coulisse dans un cylindre.

Figure 14	Figure 14 pour l’impression embossée

L'impulsion, générée par exemple par un mouvement de retour d'un piston, se compose d'une région localisée R dans laquelle la pression p est supérieure à la pression p0 de l'air non perturbé. Lorsque l'impulsion se propage le long du cylindre, les éléments d'air effectuent une oscillation simple autour de leur position d'équilibre, ils ne se propagent pas avec l'impulsion. Par conséquent, l'impulsion se propage à partir d'une région R à une région R1 comprimant l'air dans la région R0 sans mettre en mouvement l’air dans la région R. Si le piston exécute des mouvements continus, il va créer une succession de compressions qui se déplacent le long du conduit sous forme d'ondes longitudinales.

Une onde sonore se compose d'une compression et d’une raréfaction d'une manière très similaire aux illustrations des ondes longitudinales avec un ressort. Les vibrations d'un corps sonore se propageant de manière sphérique, soit de façon symétrique dans toutes les directions. La vitesse de transmission du son dans l'air à une température de 15 degrés est de 340 mètres par seconde, et ne dépend ni de la fréquence de l'onde, ni de l'intensité, de la forme ou de la densité, mais varie quelque peu avec les changements de température et de l'humidité. Voici donné ci-dessous un tableau de la vitesse du son dans différentes substances.

Intensité

Le sentiment que vous avez en écoutant un son est lié à l'énergie transportée par l'onde sonore. L'impression est une impression subjective qu'un auditeur se fixe à un son particulier, alors que l'énergie de l'onde sonore est une quantité physique objective. La relation entre ces deux quantités est étudiée dans le domaine de la psychologie dite psychophysique. L'intensité I d'une onde sonore est l'énergie qui passe à travers une unité de surface par unité de temps. Elle peut être déterminée expérimentalement en mesurant l'énergie E frappant un microphone pendant un intervalle de temps T. L'intensité est égale à:

I = E / A * T
Avec I = intensité ; E = Energie ; A = Aire ; T = Temps.

Dans le système mks, l’unité de l’intensité est donnée en: J/m^2*S or W/m^2.

Même si la sensation que vous percevez d’un son augmente avec l'intensité, la relation entre le sentiment et l'intensité n'est pas linéaire. Par exemple, dans une salle de lecture, l'intensité de la voix d'un orateur peut être 10 plus grande dans les premiers rangs qu’au fond de la salle, mais un auditeur qui se déplace dans les rangs n’aura ressenti qu'une légère baisse de l'intensité sonore. Un jeune adulte peut détecter des sons allant d'une intensité minimale de 10E-12W/m^2 et une intensité maximale de 1W/m^2.

Par convention, nous supposons que l'intensité minimale que nous pouvons percevoir est le point 0 (I) d'une échelle de volume qui est l'échelle des décibels (dB). Sur cette échelle, une augmentation de l'intensité d'un facteur de 10 correspond à une augmentation du niveau de l’intensité de 10 dB. Ainsi donc, I = 10E-12 W/mE2 correspond à 0 dB, I = 10E-11W/mE2 correspond à 10 dB, et ainsi de suite.

Le niveau d'intensité est définie mathématiquement par la formule suivante:
i = 10 log (I'/l)

Pour des intensités supérieures à 1W/mE2 vous allez ressentir de la douleur à l’écoute du son, le niveau de ce seuil d'intensité est:
i = 10 log ( 1W/mE2 ) / ( 10E-12W/mE2 ) = 120 dB

La gamme de l'audition humaine est donc comprise entre 0 et 120 dB.

Voici un tableau de l'intensité de certaines des sons les plus courantes: