Les sons : fréquence, intensité et perception
Introduction :
Dans le cours précédent, « Émission et propagation d’un signal sonore », nous avons appris que tout signal sonore se propage avec une vitesse de propagation dont la valeur dépend du milieu de propagation. On attribue à ce signal sonore une fréquence et une période afin de mieux le décrire. Cependant, tout signal sonore n’est pas obligatoirement perceptible par l’oreille humaine et agréable à écouter, il peut même être extrêmement dangereux.
Ce cours va nous permettre de mieux comprendre comment l’être humain perçoit un signal sonore en décrivant tout d’abord le rôle de la fréquence, puis en donnant les deux natures que peut avoir un signal sonore et enfin déterminer l’effet de l’intensité sonore.
Quel est le rôle de la fréquence d’un signal sonore ?
Quel est le rôle de la fréquence d’un signal sonore ?
Tout comme les ondes électromagnétiques, qui ne sont visibles que si leur fréquence est comprise entre $400$ Térahertz et $770$ Térahertz, les ondes sonores ne sont audibles par l’oreille humaine que si leur fréquence est comprise entre $20$ et $20\ 000$ Hertz. En dessous de cette fréquence les ondes sonores sont des infrasons et au-dessus des ultrasons :
Cette échelle n’est valable que pour l’être humaine. En effet, les éléphants et les taupes entendent parfaitement les infrasons tandis que les dauphins et les chauve-souris entendent les ultrasons.
- De plus, la fréquence détermine la tonalité du son. Plus la fréquence est élevée, plus le son est aigu et inversement, plus la fréquence est faible, plus le son est grave.
À retenir
L’oreille humaine ne peut percevoir un son que si sa fréquence est comprise entre $20$ et $20\ 000\, \text{Hz}$.
Cependant, tous les sons audibles ne sont pas perçus de la même manière. La perception d’un son dépend de plusieurs caractéristiques dont sa nature qui peut être pure ou complexe.
Quelle est la nature d’un signal sonore ?
Quelle est la nature d’un signal sonore ?
Un signal sonore peut être de deux natures, soit pur ou soit complexe.
Un son pur
Un son pur
Définition
Son pur :
Un son pur, aussi appelé son simple, est une onde sonore parfaitement sinusoïdale et périodique ne possédant qu’une seule fréquence. Ainsi, la fréquence, l’amplitude maximale et l’amplitude minimale restent constantes au cours du temps.
Exemple
Un diapason émet un son pur de forme mathématique suivante :
Un son pur n’existe pas naturellement, seuls des appareils conçus par l’être humain, tels que les diapasons, sont capables d’en produire un.
Un son complexe
Un son complexe
Définition
Son complexe :
Un son complexe est constitué d’une superposition de plusieurs sons purs, c’est-à-dire de plusieurs signaux périodiques et ainsi son spectre est quelque peu complexe, voire aléatoire.
Avec le spectre d’un son composé ci-dessous, nous pouvons identifier plusieurs signaux périodiques. Et à chaque signal périodique, une fréquence y est attribuée :
Sur ce graphe, chaque son pur composant le son complexe est représenté par un segment dont l’abscisse est sa fréquence et l’ordonnée est son amplitude. La fréquence du signal sonore pur ayant la plus grande amplitude est appelée fréquence fondamentale, les autres fréquences du son complexe sont dites les harmoniques. De plus, les fréquences des harmoniques sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale.
Définition
Hauteur d’un son :
La hauteur d’un son, exprimée en hertz ($\text{Hz}$), est sa fréquence fondamentale. C’est la hauteur du son qui permet de déterminer sa tonalité, c’est-à-dire si un son est aigu ou grave.
Ainsi, si la fréquence fondamentale d’un son est comprise entre $20$ et $200\, \text{Hz}$ le son est grave, et si la fréquence fondamentale est comprise entre $2\, 000$ et $20\, 000\, \text{Hz}$ le son est aigu.
Définition
Timbre d’un son :
Le timbre d’un son est l’identité même du son et de comment il est perçu. En effet, c’est grâce au timbre qu’on peut distinguer un do joué au piano d’un do joué au violon. Même si ces deux sons ont la même fréquence fondamentale, ils diffèrent par leurs harmoniques.
Ainsi le timbre dépend de l’importance de la fréquence des harmoniques. Moins un son possède d’harmoniques plus il est perçu comme « terne ».
À retenir
Un son complexe est la somme de plusieurs sons purs. Le son pur possédant la plus grande amplitude détermine la fréquence fondamentale et la hauteur. Tandis que les autres sons purs sont les harmoniques et déterminent le timbre.
Quel est le rôle de l’intensité sonore ?
Quel est le rôle de l’intensité sonore ?
En plus de sa nature, la perception d’un son dépend de l’amplitude donc de son intensité et par conséquent de son niveau d’intensité.
Définition
Intensité sonore :
L’intensité sonore est la grandeur qui caractérise la puissance d’un son. Plus l’amplitude d’un signal sonore est fort, plus son amplitude sera élevée.
Définition
Niveau d’intensité sonore :
Le niveau d’intensité sonore, exprimé en décibel ($\text{dB}$), est la grandeur directement déduite de l’intensité sonore permettant de créer une échelle de danger pour l’oreille humaine.
L’échelle de niveaux d’intensité sonores ci-dessous, montre qu’un son est audible quand son niveau d’intensité sonore est supérieur à $0$ et qu’il commence à être fatiguant pour l’oreille humaine quand son niveau d’intensité sonore dépasse $60\, \text{dB}$. Puis, à partir de $90\, \text{dB}$, le son devient dangereux jusqu’à être douloureux et entraîne des dommages irréversibles si le niveau d’intensité sonore dépasse $120\, \text{dB}$.
Exemple
Les personnes qui travaillent dans un environnement bruyant, s’équipent de casque anti-bruit pour limiter le danger que représente pour leurs oreilles, une exposition prolongée au bruit.