Caractéristique d'un son

Cette partie est destinée à l'énumération des caractéristiques d'un son. En effet, suite à de nombreuses recherches sur internet et dans les livres, nous pouvons nous apercevoir que les caractéristiques ne sont pas données partout avec les mêmes notions. Quelque fois elles intègrent la notion d'amplitude ou encore de timbre. Cependant, dans cet article, nous nous limiterons aux caractéristiques principales du son qui sont principalement la fréquence F, la longueur d'onde λ et la période T puisqu'elles sont associées grâce à un lien mathématique dont on donnera un exemple après une explication détaillée de chacune d'elle. En plus de ces trois caractéristiques fondamentales du son, s'ajoute à elle une notion très importante telle que l'amplitude.

 

 

 

 

 

 

 

A- La longueur d'onde

La longueur d'onde est la plus courte distance séparant deux points de l'onde strictement identiques à un instant donné. Elle s'exprime en mètre. Cette distance est mesurable à n'importe qu'elle endroit de l'onde uniquement si elle correspond toujours à la longueur d'un cycle complet. Cette longueur d'onde varie en fonction de la nature et de l'état du milieu de propagation dans lequel le son se propage.

Dans l'air, la vitesse de propagation des ondes acoustiques est de 340 mètres par secondes, notée c = 340m/s.

Dans l'eau par exemple, c = 1400 m/s

La longueur d'onde λ dépend de la période dont on parlera ensuite, et de la vitesse du milieu de propagation, soit par la relation :

λ = c. T

où T est la période exprimée en seconde,

où " c " correspond à la célérité

Par ailleurs, nous pouvons aussi trouver sur certains documents la relation suivante :

λ = v / f

où V est la vitesse de propagation de l'onde

où F détermine la fréquence

En effet, ces deux relations peuvent être liées, voici une explication :

Sachant que λ = v / F, F est la fréquence soit l'inverse de la période donc F = 1 / T , de plus v qui détermine la vitesse de propagation est en réalité appelé en physique la célérité C.

On obtient alors :  λ = v / F

                         λ = c / ( 1 / T )

                         λ =  c ( T / 1 )

                         λ = c.T

D'après ce calcul, on retrouve bien la relation de départ. Ces deux relations sont vraies, cependant la première citée est celle que nous allons retenir car elle introduit les vrais termes physique associé à l'onde sonore telle que la célérité.

 

Commentaire de l'image :

Ce schéma illustre sur différentes courbes la distance entre deux points consécutifs d'un cycle complet soit la longueur d'onde de chacune d'elle. Du haut vers le bas, puisque la distance se fait de plus en plus grande, la longueur d'onde augmente également. Nous pouvons émettre l'hypothèse que la première courbe se situe dans un milieu plus élastique que les deux autres, dans ce cas l'onde peut osciller de manière plus rapide et donc donner une longueur d'onde plus courte. On peut également dire qu'il s'agit de son de fréquence différente dans un même milieu.

Sur l'illustration ci-dessus, nous pouvons nous apercevoir qu'un détail important manque, le fait que l'abscisse au nom de " distance " n'ait pas été cité.

Commentaire de l'image :

Nous avons décidé d'ajouter cette image à la première car elle nous montre bien que la longueur d'onde peut se mesurer à n'importe quelle endroit de l'onde dans la mesure où elle prend en compte un cycle complet.

B- La période

La période T est exprimée en seconde et correspond à la durée d'une longueur d'onde. On peut dire qu'il s'agit de l'équivalent temporel de la longueur d'onde.

Commentaire de l'image :

Cette image nous montre qu'en effet la longueur d'onde et la période représente sur l'onde la même distance soit un cycle complet, cependant elle ne représente pas la même unité. La période comme l'indique l'illustration est la durée que parcourt un cycle complet.

C- La fréquence

La fréquence est le nombre d'oscillations par secondes, soit le nombre de periode par seconde. On peut aussi  dire que c'est la vitesse d'oscillation de l'onde car en effet, c'est la vitesse de l'onde qui détermine le nombre d'oscillation : plus la vitesse est élevée, plus il y aura de période, on sera dans les hautes fréquences. Au contraire, moins la vitesse est élevée, moins il y aura de période et donc une basse fréquence.

La fréquence est exprimée en Hertz ou en cycles par seconde. Elle est définit par la relation suivante :

F = 1 / T  où T est la période.

Lorsque l'on choisit la seconde pour l'unité qui correspond à la période, la fréquence est en hertz ( Hz ). Plus la valeur en Hertz est élevée et plus période est courte.

Commentaire de l'image :

Ces différentes représentations sont des ondes sinusoïdales de fréquences différentes. Du haut vers le bas, la fréquence augmente, le son devient alors aigu.

En musique, la fréquence désigne la hauteur du son : c'est à dire le fait que le son soit grave ou aigu. A basse fréquence, le son sera grave tandis qu'à haute fréquence, le son sera aigu.

 Toutes les fréquences ne sont pas entendues par l'homme. L'oreille humaine ne perçoit pas les sons de fréquence inférieur a 20 Hertz, ce sont les infrasons. Elle ne perçoit pas également les sons de fréquence supérieur à 20 000 Hertz, ce sont les ultrasons La gamme audible de l'oreille humaine est en moyenne comprise entre 20hertz et 20kHertz. (On parle de gamme audible " moyenne " car la sensibilité à la fréquence varie d'un individus à un autre en fonction de l'âge, à l'éducation que l'on peut donner à son oreille en écoutant plus ou moins la musique à intensité élevée ou encore à un éventuel problème auditif ). Par ailleurs, le champs auditif de certains animaux comme les dauphins, les chauve souris, ou encore les chiens s'élèvent au point d'atteindre les ultrasons.

fréquences audibles

D- Une équivalence suivie d'un lien mathématique

Nous avons vu précédemment que la longueur d'onde et  la période T désigne sur la courbe le même élément soit un cycle complet. On dit alors que la longueur d'onde est l'équivalent spatial (puisqu'on parle en terme de distance donc d'espace ) de la période temporelle ( puisqu'on parle en terme de temps ) . On peut aussi dire l'inverse, c'est à dire que la période est l'équivalent temporel de la longueur d'onde spatiale.

De plus, lorsque nous avons une seule donnée concernant ces trois caractéristiques du son, nous pouvons retrouver très facilement les deux autres. Voici un exemple :

On sait que la période d'une onde sonore est de 20 secondes et que cette onde se propage dans l'air.

Alors :

λ = c.T, où c = 340m/s puisque cette onde se propage dans l'air.

Donc, λ = 340 X 20

         λ = 6800 m

De plus, F = 1 / T

            F = 1 / 20

            F = 0,05 Hertz

A l'aide de la période, on a donc déterminé la longueur d'onde ainsi que la fréquence. On précise également que les valeurs choisit ci-dessus ne représentent rien de concret, elles ont été uniquement prise en terme d'exemple.

Pour renforcer notre idée sur le fait qu'à l'aide d'une seule mesure on peut obtenir les deux autres, on choisit d'effectuer un autre calcul en sachant uniquement la fréquence. Cette onde se propage également dans l'air, donc sa célérité sera 340m/s.

On sait que F = 40 Hz

Alors :

 T = 1 / F  car F = 1 / T donc T = 1 / F

On a donc : T = 1 / 40

                 T = 0,025 s

Cette onde met alors 0,025 secondes pour effectuer un cycle complet.

De plus, λ = c.T

            λ = 340 X 0,025

            λ = 8,5 m

Pour établir un cycle complet, cette onde parcourt 8,5m.

D'après ces exemples précédents, on peut affirmer que ces trois caractéristiques sont liées mathématiquement.

E- L'amplitude

L'amplitude correspond aux variations de pressions de l'onde sonore. En musique, l'amplitude correspond à l'intensité du son : c'est le niveau sonore. L'intensité du son se mesure à l'aide d'un sonomètre et nous donne des valeurs en décibels (dB Spl ). SPL pour " Sound Pressure Level ". Ces valeurs sont comprises entre 0dB et l'infini, mais dans la pratique peu de son dépasse plus de 150 dBspl.

 

Commentaire de l'image :

On peut voir d'après l'image que plus l'amplitude de l'onde est grande, plus le volume sonore augmente. Le niveau sonore détermine donc bien l'amplitude qui elle-même dépend de la puissance de la pression de l'onde. Pour conclure, l'intensité du son augmente en même temps que l'amplitude d'une onde sonore.

 Voici des exemples de niveau sonore mesurés à l'aide d'un sonomètre :

 

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