Caractériser la propagation d’un signal sonore

Qu’est-ce qu’un son ?

Tout son prend naissance dans une vibration de la matière, qui, pour se propager, nécessite un milieu matériel. Ce milieu peut être solide, liquide ou gazeux. Le son ne peut donc pas se propager dans le vide, contrairement à la lumière. 

Le son est alors une onde mécanique, qui transporte de l’énergie mais pas de matière. 

L’intensité sonore est la puissance moyenne transportée par l’onde par unité de surface.

Elle se mesure en $\rm W.m^{-2}$. L’écoute d’une intensité sonore trop élevée peut engendrer des dommages irréversibles pour l’oreille. Il faut savoir que cette intensité s’atténue au cours de la propagation d’une onde sonore, même dans un milieu absorbant peu les ondes.

Il est possible de mesurer le niveau d’intensité acoustique à l’aide d’un sonomètre, ou de le calculer grâce à la relation suivante (à ne pas connaître) :

$\rm N_I = 10\log \dfrac{I}{I_0}$

Avec :

• $\rm N_I$ : le niveau d’intensité acoustique en $\rm dB$ (décibel)
• $\rm I$ : l’intensité acoustique en $\rm W. m^{-2}$
• $\rm I_0$ : l’intensité acoustique au seuil d’audibilité, $\rm I_0 =10^{-12}~ W.m^{-2}$

La distance que le son parcourt pendant une seconde, appelée vitesse ou célérité du son, notée $\nu$, dépend du milieu matériel dans lequel le son se propage. 

Par exemple, la vitesse du son vaut :

• $\rm 5~ 000~ m/s$ dans l’acier ;
• $\rm 500~ m/s$ dans l’eau ;
• $\rm 340~ m/s$ dans l’air.

On remarque que la vitesse du son est plus élevée dans les solides que dans les liquides et les gaz.

Grandeurs caractéristiques d’un son

1) Période

Puisque le son a pour origine une vibration, on peut mesurer la durée nécessaire prise par une vibration pour se répéter identique à elle-même. Cette durée est appelée période, notée T, exprimée en seconde (s) :

Elle peut être déterminée à l’aide d’un oscilloscope, ou d’un logiciel d’acquisition de données informatiques ;

Elle peut être calculée à partir de la fréquence $f$ d’un son, en Hertz (Hz), lorsque celle-ci est connue, à l’aide de la relation : $f = \dfrac{1}{T'}$

L’oreille humaine est capable d’entendre des sons de 20 à 20 000 Hz

2) Longueur d’onde

Dans l’espace, l’ondulation sonore se répète identique à elle-même, à l’image de vaguelettes régulières à la surface d’un lac. La distance qui sépare deux ondulations successives est appelée longueur d’onde, notée $\lambda$, exprimée en mètre $\rm (m)$ :

• Elle peut être déterminée, elle aussi, à l’aide d’un oscilloscope, ou d’un logiciel d’acquisition de données informatiques ;
• Elle peut être calculée à partir de la période $\rm T$ et de la vitesse $v$ de propagation du son à l’aide de la relation : $\lambda = v \times \rm T$

Pour une onde sonore, on observe donc une double périodicité : celle liée au temps, caractérisée par la période $\rm T$ et celle liée à l’espace, caractérisée par la longueur d’onde $\lambda$.

Pression acoustique

Lors de sa transmission, une onde sonore, comme toute onde mécanique, génère une variation locale de pression dans le milieu de propagation. L’amplitude de cette variation est appelée pression acoustique. C’est ce que mesure un microphone.