Fiche de révision : Physique acoustique fondamentale

📋 Plan du Cours

1. Pression acoustique et phénomène sonore
2. Sons périodiques et apériodiques
3. Sons purs, complexes et spectres
4. Propagation et longueur d’onde
5. Intensité et impédance acoustiques
6. Niveau sonore et décibels
7. Perception fréquentielle et pondération
8. Résonateurs et analyse vocale

📖 1. Pression acoustique et phénomène sonore

🔑 Notions clés & Définitions

• Pression acoustique : Variation locale de la pression de l’air produite par les chocs des molécules d’air sur une surface, exprimée en pascals (Pa).

★ À maîtriser

• La pression acoustique audible s’étend d’environ 0,000002 Pa au seuil d’audition à 20 Pa au seuil de douleur.

• Une onde acoustique fait vibrer le tympan par une succession de surpressions, correspondant à une forte densité moléculaire, et de sous-pressions, correspondant à une faible densité moléculaire.

Compléments

• La pression atmosphérique terrestre est d’environ 100 000 Pa.

💡 Astuce mémo

Chocs moléculaires → variations de pression → vibration du tympan

📖 2. Sons périodiques et apériodiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Son périodique : Répète une même variation de pression à intervalles réguliers et se caractérise par sa fréquence f, exprimée en hertz (Hz).

★ À maîtriser

• La plage audible de l’oreille humaine s’étend approximativement de 20 Hz à 20 kHz.

• La fréquence correspond au nombre d’oscillations ou de répétitions d’un motif pendant une seconde.

Compléments

📌 Un son pseudo-périodique présente des oscillations successives sans régularité parfaite, tandis qu’un son apériodique ne présente ni régularité temporelle déterminable ni oscillations proprement dites.

💡 Astuce mémo

Périodique = motif régulier ; apériodique = absence de régularité

📖 3. Sons purs, complexes et spectres

🔑 Notions clés & Définitions

• Son pur : Décrit mathématiquement par une sinusoïde et correspond à une onde en forme de sinus ou de cosinus.
• Son complexe : Somme de sons purs de fréquences différentes et n’est pas nécessairement périodique.
• Spectre sonore : Représente l’amplitude en décibels des différentes composantes fréquentielles d’un son.

★ À maîtriser

• Dans le spectre d’un son harmonique, le fondamental est le pic de plus basse fréquence et les autres pics sont des harmoniques dont les fréquences sont des multiples du fondamental.

Compléments

• Pour le Do de la sixième octave à 1046 Hz, les harmoniques citées sont notamment à 2092 Hz et 3138 Hz.

💡 Astuce mémo

Un son complexe comme une note de piano composée de nombreux pics harmoniques

📖 4. Propagation et longueur d’onde

🔑 Notions clés & Définitions

• Onde : Perturbation en mouvement qui transporte de l’énergie sans transporter de matière.
• Célérité : Vitesse de propagation d’une onde sonore dans son environnement, exprimée en mètres par seconde.

📝 Points essentiels

• À température ambiante, la célérité du son dans l’air est d’environ 340 m/s, soit 1224 km/h.

📐 Formule — La longueur d’onde λ et la fréquence f sont liées par la célérité c selon $\lambda = \frac{c}{f}$.

💡 Astuce mémo

Perturbation → propagation de proche en proche → transport d’énergie

📖 5. Intensité et impédance acoustiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Intensité acoustique : Énergie véhiculée par un son pendant une seconde à travers une surface de 1 m², exprimée en watts par mètre carré.
• Impédance acoustique : Traduit la résistance à la mise en mouvement des molécules d’air et vaut 400 Pa.s/m dans l’air.

📝 Points essentiels

📐 Formule — L’intensité acoustique vérifie $I = \frac{\text{énergie}}{\text{surface} \times \text{temps}} = \frac{\text{puissance}}{\text{surface}}$.

📐 Formule — L’intensité acoustique est liée à la pression acoustique P et à l’impédance Z par $I = \frac{P^2}{Z}$.

💡 Astuce mémo

Pression acoustique = variation ; intensité acoustique = énergie transmise

📖 6. Niveau sonore et décibels

🔑 Notions clés & Définitions

• Psychoacoustique : Branche de la psychophysique qui étudie les rapports entre les perceptions auditives humaines et les sons arrivant aux oreilles.

📝 Points essentiels

• Pour un son perçu deux fois plus fort, l’intensité acoustique est en réalité multipliée par 10 et non par 2.

📌 Le niveau SPL utilise un seuil d’audition fixe comme référence, tandis que le niveau utilisé en audiométrie recalibre le zéro selon la fréquence.

• Les principaux repères de niveau sonore sont: environ 1 dB au seuil minimal, environ 30 dB dans des environnements naturels, 40 dB pour un chuchotement, 85 dB comme valeur remarquable, 120 dB au seuil de douleur

💡 Astuce mémo

SPL = seuil fixe ; audiométrie = référence dépendante de la fréquence

📖 7. Perception fréquentielle et pondération

★ À maîtriser

• Les courbes de Fletcher-Munson montrent que les sons graves et aigus doivent être plus forts que les fréquences moyennes pour être perçus comme aussi intenses à faible volume. — Harvey Fletcher et Wilden A. Munson, années 1930

• La perception de l’intensité varie avec la fréquence et les fréquences moyennes autour de 4 kHz sont mieux perçues que les basses.

📌 La pondération A corrige les niveaux sonores pour tenir compte de la variation de la perception avec la fréquence, en atténuant les basses et les aigus et en amplifiant légèrement les médiums.

Compléments

• Les niveaux sonores corrigés par la pondération A sont exprimés en dB(A).

💡 Astuce mémo

Fréquence → perception différente → correction en dB(A)

📖 8. Résonateurs et analyse vocale

🔑 Notions clés & Définitions

• Résonateur acoustique : Système pouvant entrer en résonance à certaines fréquences propres et amplifier la pression acoustique sans apporter d’énergie.

★ À maîtriser

• Le tractus vocal est une succession de résonateurs qui filtre selon la fréquence le son produit par la glotte.

• Les fréquences de résonance du tractus vocal sont appelées formants et dépendent du point d’articulation.

• Un spectrogramme représente l’évolution du spectre au cours du temps, avec des variations d’amplitude codées en niveaux de gris, le noir indiquant une forte intensité.

Compléments

• Des exemples de résonateurs acoustiques sont:
  • la bouteille en verre
  • les tuyaux d’orgue
  • la flûte

💡 Astuce mémo

Glotte → harmoniques → filtrage du tractus vocal → formants

📊 Tableaux de synthèse

Types de sons et représentation