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République Algérienne Démocratique et Populaire
Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
Ecole Nationale Polytechnique d'Oran Maurice Audin
Chapitre I
Présenté par
Mme A. BABA-HAMED née BENSEMAIN
Introduction à l’acoustique

A l’issu de ce chapitre l’étudiant sera capable de :
 Définir la nature des ondes acoustiques.
 Présenter les caractéristiques des ondes acoustiques.
 Connaître la perception auditive.

oUne onde est un phénomène vibratoire qui se propage.
oLes deux grandes familles d’ondes :
• Ondes mécaniques (élastiques) :
 Onde acoustique (son).
 Onde sismique.
 Onde à la surface d’un liquide.
 Onde dans une corde…
• Ondes électromagnétiques :
 Onde lumineuse (lumière).
 Onde rayon X ...
Introduction

oUne onde mécanique a besoin d’un milieu élastique pour se propager.
oUne onde EM (électromagnétiques) peut se propager dans le vide.
oUne onde transporte de l’énergie.
oUne onde ne transporte pas de matière
Introduction

oL’acoustique est l’étude des propriétés des ondes sonores, de leurs
productions, de leurs propagations et de leurs effets.
Ondes acoustiques

oUne onde acoustique (sonore) correspond à la propagation de
perturbations mécaniques dans un milieu élastique. Ces perturbations sont
perçues, entre autres, par l’oreille humaine qui les interprète comme des
sons.
Ondes acoustiques

oLe son est produit par la vibration d'un corps solide, liquide ou
gazeux qui constitue la source sonore.
oDans un tube contenant un gaz ou un fluide, une onde acoustique crée des sections
de densités variables.
oLes particules se déplacent et oscillent dans la direction de propagation autour de
leurs positions de repos (pas de mouvement net du fluide). Il existe deux modes
principaux de propagation :
oMode longitudinale (mode L).
oMode transversale (mode T).
Ondes acoustiques

oOnde longitudinale : la vibration est parallèle au sens de propagation (onde de
compression), déformation dans la même direction que la propagation. Il y a
propagation par compression ou dilatation.
Ondes acoustiques

Ondes acoustiques
oOnde longitudinale :
oExemple : Propagation de la déformation d’un ressort.

oOnde transversale : la vibration est perpendiculaire au sens de propagation (onde
de cisaillement), déformation perpendiculaire à la direction de propagation.
Ondes acoustiques

oOnde transversale :
oExemple : Propagation de la déformation d’une corde.
Ondes acoustiques

Son
oUn son est un phénomène périodique produit par la vibration très rapide d'un
corps matériel, transmis par un milieu matériel et perçu par la vibration de
certains organes de l'oreille ou par celle d'autres détecteurs (microphone).

oLe son est associé au mouvement oscillatoire d’un système vibrant (source
sonore). Ce phénomène crée une onde acoustique.
Son

oEffets du son :
oNécessité de savoir comment le son est perçu.
oEffet principal du à la perception du son par les individus.
oNiveaux de pression 0.00002 Pa à 100 Pa.
oPas d’effet mécanique réel.
Perception auditive

oPerception des sons :
oLes oreilles assurent l'audition et l'équilibre. Situées de part et d'autre de la tête, elles
ont une partie visible, tandis que l'essentiel de leurs organes est protégé par les os
crâniens.
Perception auditive

oLes ondes sonores pénètrent dans le conduit auditif externe et font vibrer le tympan.
Ces vibrations se transmettent dans l'oreille moyenne à une chaîne d'osselets : le
marteau, l'enclume et l'étrier. Lorsque l'étrier est agité, sa base s'introduit dans la fenêtre
ovale de l'oreille interne et provoque des déplacements du liquide contenu dans un
conduit enroulé sur lui-même : la cochlée ou limaçon.
Perception auditive

oLes vibrations de la membrane du canal cochléaire sont transmises à l'organe de corti,
dont les cellules sensorielles traduisent l'énergie acoustique en impulsions nerveuses.
Celles-ci sont transmises par le nerf cochléaire à la zone du cerveau qui traite la
perception des sons.
Perception auditive

oOreille externe : collecte du son.
oOreille moyenne: transfert mécanique.
oOreille interne (cochlée):
oTransformation des vibrations mécaniques en impulsions nerveuses.
oSystème nerveux, cerveau :
oSensation : fréquence, amplitude.
oSynthèse droite-gauche.
oIdentification du son (danger, musique, parole).
Perception auditive

oLe son ne peut exister qu'à travers trois phases :
oEmission du son : vibration matérielle.
oPropagation du son.
oRéception du son.
Caractéristiques des ondes acoustiques

oLa propagation du son :
oAu repos, les molécules sont soumises à la pression atmosphérique. Lorsque le milieu
est perturbé, le mouvement des molécules engendre des variations locales de la
pression (surpression).
oAir : mouvement des molécules d’air (vibration) : P = F / S.
o Avec : P est la pression, F est la force, S est l’unité de surface.
o À l’émission du son : Ptot = Patm + surpression.
o Avec : Ptot est la pression totale, Patm est la pression atmosphérique, surpression est la
vibration des molécules.
o Cette surpression est appelé pression acoustique.

oLa propagation du son est la propagation de cette surpression des
molécules d’air.
oLa propagation du son est la propagation de vibration, donc c’est un signal
périodique.
oSi on a un signal périodique, on aura une fréquence f (Hz) qui va mesurer le
nombre d’oscillations de cette pression acoustique en une seconde.

oLes caractéristiques des ondes acoustiques ou du son sont :
oLa hauteur du son : est la fréquence du son (son plus ou moins grave ou aigu).
oL'intensité : est l’amplitude du son, le niveau sonore (son plus ou moins fort).
oLe timbre : est le spectre fréquentiel (son plus ou moins riche ou pauvre...).

o Le son, un phénomène temporel

oLa fréquence, exprimée en Hertz (Hz), est l'une des caractéristiques majeures
d'une onde sonore. Ainsi, les fréquences des ondes sonores perceptibles par l'être
humain se situent approximativement entre 20 Hz et 20 kHz.
oSons graves : 20 à 500 Hz
oSons mediums : 500 à 4000 Hz.
oSons aigus : 4 à 20 kHz

o La fréquence :

oLa fréquence :
oSons audibles : 20 Hz < f < 20 KHz (bande passante de l’oreille humaine).
oInfrasons : fréquence inférieure à 20 Hz, (exemple : les vibrations sismiques,
certaines machines, des haut-parleurs de basses fréquences).
oUltrasons : fréquence supérieure à 20 KHz.
oHyper sons : fréquence supérieure à 1 GHz.

o La fréquence :
o La sensibilité de l’oreille humaine dépend de la fréquence, ce grand domaine de
sensibilité est divisé en paquets de fréquences qui sont ordonnés de façon
régulière pour l’oreille. Ce sont par exemple, les octaves. Quand on passe d’une
octave à une autre, on a la sensation auditive que l’on a doublé la hauteur du son.
o En acoustique, les octaves de référence sont définies par une fréquence centrale
et regroupent l’ensemble de fréquences suivant: fc / 2 < fc < fc. 2

o La fréquence : Gamme des fréquences

o La fréquence :

oLa vitesse du son : est la vitesse à laquelle la perturbation de pression se
propage. La vitesse de propagation du son est aussi appelé célérité.
Où θ, la température de
l’aire en °C
Θ, température en
K(Kelvin)

oLa célérité :
o La vitesse du son dépend de la nature, de la température et de la pression du milieu
dans lequel l'onde acoustique se propage.
o Au cas d'une propagation dans un gaz parfait, la vitesse augmente lorsque la densité
et/ou la compressibilité du gaz augmente.
o Dans les conditions normales de température et de pression, la vitesse du son dans
l’air est d'environ 340 m.S-1.
o Lorsqu'un objet se déplace plus vite que le son dans un milieu donné, on dit qu'il franchit
le mur du son.

oVitesse du son :
oEn règle générale, le son est plus lent dans les gaz, plus rapide dans les liquides et
encore plus rapide dans les solides. Dans l'air, dans les conditions ambiantes,
le son se propage à environ 340 m/s, contre 1.500 m/s dans l'eau et plus de 5.000 m/s
dans le fer.
oDans l’air :
o c = 331 m/s à 0°C.
o c = 343 m/s à 20°C.
oDans l’eau :
o c = 1447 m/s à 0°C.
o c = 1482 m/s à 20°C.
oDans l’acier :
o c = 4512 m/s.

oLa période, notée T, est l’intervalle de temps séparant deux états vibratoires
identiques et successifs d’un point du milieu dans lequel l’onde se propage.
oLa période : en un point, intervalle de temps entre le passage d’une même hauteur
de son.

oLa longueur d’onde est la distance séparant deux molécules successives dans le
même état vibratoire (même pression et vitesse acoustique) ou encore la distance
parcourue par l’onde pendant une période.
oLongueur d’onde : est la distance horizontale entre deux pics ou deux creux.

oQuelques grandeurs et relations :

oExemple : Quelle est la longueur d’onde d’une onde de fréquence 50 Hz et de
fréquence 8000 Hz .
f = 50 Hz, λ = c / f = 340 / 50 = 6,8 m
f = 8000 Hz, λ = c / f = 340 / 8000 = 0,0425 m

oNiveau sonore :
oLe son est caractérisé par la propagation d’une petite variation de pression qui est la
pression acoustique, cette dernière qui peut faire bouger le tympan de l’oreille.
oCette propagation de l’onde sonore peut se traduire par la propagation d’une énergie
ou de puissance.
oCette énergie est appelée puissance acoustique.

oNiveau sonore :
oLa puissance acoustique est l’énergie délivrée par une source sonore pendant un
intervalle de temps donné.
oLa puissance acoustique Pu: est l’énergie de l’onde sonore qui se propage dans un
milieu. Elle est exprimée en Watt (W) et on mesure la plus petite valeur de la
puissance acoustique qui fait vibrer le tympan de l’oreille Pu0 = 10-12 W, elle est
appelée puissance de référence ou seuil d’audibilité.
oLa puissance acoustique Pu peut varie entre 10-12 W et 1 W.

oNiveau sonore :
oSi une source sonore se propage avec une puissance acoustique, et lorsqu’on
éloigne de cette source, on ressent que ce son s’affaiblit. Ce ressenti sonore est
l’intensité acoustique I de cette onde sonore.
oL’intensité acoustique correspond à l’énergie qui traverse chaque seconde une
surface unitaire perpendiculaire à la direction des ondes sonores.
oL’intensité acoustique I d’une onde sonore est la puissance qu’elle transporte par
unité de surface

oNiveau sonore :
oL’intensité acoustique I :
o Dans le cas d’une source d’ondes sphériques :
o Soit Pu la puissance acoustique de la source et r
la distance à la source
oL’intensité acoustique I est exprimée en (W/m2) et on mesure la plus petite valeur
de l’intensité acoustique (intensité de référence) I0 = 10-12 W/m2. Elle est appelée
aussi seuil d’audibilité.

oNiveau sonore :
oL’oreille est sensible à des variations de pression acoustique (en pascal (Pa)).
Elle est la surpression par rapport à la pression atmosphérique.
oL’oreille est très sensible puisque le rapport des pressions acoustiques entre le
‘premier son’ audible et un son douloureux est de 1 million.
oOn définit ainsi le : Seuil d’audibilité : P0 = 20 μPa ou 2. 10-5 Pa
Seuil de douleur : P = 20 Pa

oNiveau sonore :
oLa pression P est une contrainte appliquée à la surface d’un corps. Elle
correspond à une force par unité de surface.
oLa pression et l’intensité acoustique sont liées par la formule : I = P² / (ρ.c)
o Avec : I est l’intensité (w/m2), P est la pression acoustique en un point exprimée en
pascal (Pa), ρ est la masse volumique du milieu (kg/m3), c est la célérité de
propagation de l’onde (m/s).

oNiveau sonore :
oSi on veut présenter les intensités acoustiques sur un graphe :

oNiveau sonore :
oOn a donc été amené à utiliser un artifice pour gérer cette échelle de sensibilité :
l’échelle logarithmique qui entre un
son juste audible et un son douloureux
permet un découpage en 120 unités décibels.

oNiveau sonore :
oOn définit le niveau sonore, comme le rapport de 2 pressions acoustiques :
o P : pression acoustique de la source.
o P0 : pression acoustique correspondant au plus petit son audible par l’oreille humaine.
oOn choisit d’exprimer ce rapport sous une forme logarithmique pour le ramener dans
des proportions raisonnables.

o Niveau sonore :
oUn niveau sonore, exprimé en décibel (dB) n’est pas vraiment représentatif de la
sensation auditive humaine car l'oreille est peu sensible aux fréquences très
basses ou très élevées (raison physiologique).
oLe niveau sonore doit donc être pondéré par un coefficient dépendant de la
fréquence du son émis, afin de « pénaliser » les graves et les aigus par rapport aux
médiums.

oNiveau sonore :
oLe décibel est l’expression de la mesure sonore. Il s’agit d’une unité sans
dimension permettant d’exprimer le rapport des valeurs de deux puissances, ou
de deux pressions ou de deux intensités acoustiques.
oCes niveaux sonores sont mesurés avec un sonomètre.
oLe dB est la plus petite unité perçue par l’oreille humaine… en théorie, en labo.
Le dB n’est pas une unité en soi!!

•

oNiveau sonore :
oLe sonomètre enregistre le signal temporel
oIl en déduit la pression efficace de chaque composante fréquentielle.
oIl affiche le niveau de pression acoustique en dB.
TF

oNiveau sonore :
oAttention :
oles niveaux sonores ne s’additionnent pas Arithmétiquement.
o 60 dB + 60 dB ≠ 120 dB.
oCouramment, on se rend compte d’un changement de niveau sonore si la variation est
de l’ordre de 3 dB.
oQuand on double la source, on augmente le niveau sonore de 3 dB :
o 60 dB + 60 dB = 63 dB.
oInversement, diminuer par 2 la puissance de la source, c’est diminuer son niveau
sonore de 3 dB.
o 60 dB - 60 dB = 57 dB.

oMesures avec le sonomètre :
oSi on procède à des mesures avec le sonomètre, il faut les prendre sur une bande de
fréquence (bande d’octaves).
NI
oNtot = 10.log ….. ???
125 250 500 1000 2000 4000 Hz
- - - - - - dB

oEchelle des niveaux (décibel (dB)) :
oÀ 0 dB : c’est le seuil d’audibilité (c’est la première valeur qui vibre le tampon de
l’oreille humaine.
oÀ 130 dB : c’est le seuil de douleur.
oÀ 80 dB : il faut mettre un casque de protection (protection acoustique : PicB).

oDécibel (dB) :

oNiveaux sonores pondérés :
o Un sonomètre ce n’est une oreille humaine.
o L’oreille humaine qui est très sensible au son aigus et moins sensible aux son
graves.
o Pour que le sonomètre travaille comme une oreille humaine, il faut apporter des
pondérations sur les niveaux acoustiques mesurés par le sonomètre.
125Hz 250 1000Hz
NI - - - NI
NI – 16 dB NI

o Le niveau sonore doit donc être pondéré par un coefficient dépendant de la
fréquence du son émis, afin de « pénaliser » les graves et les aigus par rapport
aux médiums.

o L’oreille humaine perçoit les sons graves et aigus plus ou moins atténués.
o On parle de pondération « A » et le niveau sonore s’exprime en dB(A).

oNiveaux sonores de la voix à 1 m :

oExercices :
Calculer les niveaux sonores des deux ondes acoustiques qui ont des niveaux de
pression respectivement : p1 = 1 Pa, p2 = 31,7 Pa.
oDécibel (dB) :

oL’étude du son a donné naissance à différents modèles de représentations ayant
chacun un intérêt particulier.
oLes modes de représentation du son :
oReprésentation temporelle.
oReprésentation fréquentielle (ou spectrale).
oReprésentation tridimensionnelle : le sonagramme ou spectrogramme.
La représentation du son

oReprésentation temporelle :
o Cette représentation montre l’évolution de l’intensité du signal sonore dans le temps.
o La partie en bleu montre l’évolution de l’intensité d’un son de parole dans le temps. Cette
vue temporelle permet notamment d’apprécier l’évolution de l’enveloppe temporelle (ligne
rouge).

o Représentation fréquentielle (ou spectrale) :
o Ce mode permet de visualiser la composition fréquentielle d’un son mais également
l’intensité de chaque fréquence.
o Sur ce graphe, on peut voir la composition
spectrale de l’échantillon sonore précédent.

oReprésentation tridimensionnelle : le sonagramme ou spectrogramme
o Il s’agit de la représentation temps-fréquence du son. On trace la répartition énergétique
du son en fonction du temps et des fréquences. Le sonagramme est très utilisé pour étudier le
signal de parole.
o Cet exemple montre bien l’évolution de la
fréquence et de l’intensité dans le temps.
L'intensité est définie par la couleur : plus la
couleur évolue vers le rouge plus l’intensité
est importante.

La qualité d’une onde sonore
oLe son pur et le son complexe :
oUne lame vibrante émet un son ayant une onde sonore pratiquement sinusoïdale, du
moins à très courte distance. Elle émet un son appelé son pur.

oLe son pur a une représentation spectrale d’une onde
sinusoïdale donne uniquement un seul trait, appelé raie
spectrale.
oToute autre forme de vibration va donner une composition
spectrale plus importante (plusieurs raies spectrales), c’est
un son complexe.

oLe son pur :
oLe son complexe :
oLe bruit : signal aléatoire

oLe son complexe est une addition de plusieurs sons purs à condition :
o Qu’il y a un seul son pur prépondérant (de grande intensité par rapport aux autres sons purs),
d’une fréquence f appelé la fondamentale.
o Les fréquences des autres sons purs doivent être des multiples de la fondamentale (2f, 4f,
7f…). Ces sons purs sont appelés des harmoniques.
oLorsqu’on a deux sons purs de fréquences f ’ et f.
o Dans le cas : f ’ = 2f, donc ces deux sons constituent un octave.

oLe spectre d’un signal acoustique donne la répartition des fréquences composant le
signal.

oUn son réel est la combinaison plus ou moins compliquée de plusieurs fréquences
différentes dont certaines sont prépondérantes et donnent au son une qualité
physiologique particulière, appelé le timbre.
oLe timbre d’un son correspond à la forme du signal périodique. Il est propre à
chaque instrument.
oLe timbre est la composition en harmoniques d’une onde sonore qui nous permet
de distinguer un piano et une guitare jouant simultanément la même note.

oUn instrument de musique est constitué :
o D’un objet qui vibre, c’est lui qui produit le son.
o D’une caisse de résonnance, elle amplifie le son pour favoriser sa transmission dans
l’air.

oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec un violon.

oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec une guitare.

oLe timbre d’un son : Si on va comparer les deux signaux périodiques des deux
instruments qui ont jouer e la même note « Ré », ils ont la même période mais de
formes différentes, donc ils ont un timbre différent.

oLe timbre est la qualité qui permet de distinguer deux sons émis par deux
instruments différents.
Timbre = enveloppe d'intensité + spectre fréquentiel
oC'est une qualité hybride composée du croisement de la structure horizontale
(intensité) et verticale (fréquence) du son.
oQuand cette structure est ordonnée, on parle généralement de "sons timbrés" ou
musicaux (ou "sons" tout court). Quand elle ne l'est pas, on parle de sons
"indéterminés", et parfois de bruit.

oLes bruits dans les ondes sonores :
oOn distingue trois formes de bruits dans les ondes sonores :
o Le bruit rose.
o Le bruit blanc.
o Le bruit brun ou bruit route.

oUn bruit rose est un bruit normalisé qui possède la même énergie dans les bandes
d’octave de 125 à 4000 Hz.
o Pour les fréquences croissantes,
les niveaux sont décroissants à
raison de 3 dB/octave.

oLe bruit blanc : l’énergie est la même pour toutes les fréquences, comme on peut
trouver aussi que l’énergie augmente aux hautes fréquences.

oLe bruit brun : il présente un excellent niveau aux basses fréquences et qui diminue
rapidement aux hautes fréquences.

oEffet de masque :
oLorsque le bruit ambiant devient trop intense, l'audition des sons désirés devient
pénible.
oPar exemple : c'est le cas d'une conversation dans le « métro », on élève la voix et on
la rend plus aiguë. Alors, le seuil d'audition d'un son S s'élève lorsqu'on entend
simultanément un son S1 de niveau plus élevé que S ; cette élévation du seuil
dépend à la fois de l'intensité acoustique I1 et de la fréquence f1 du son S1. S est
dit son masqué, S1 est dit son masquant.

oL'effet de masque est particulièrement sensible si le son masquant est un bruit
blanc. On appelle ainsi un son complexe dont le spectre est continu et uniforme
en fonction de la fréquence (bruit d'agitation thermique, souffle d'un tube
électronique par exemple).

oL'étude de l'effet de masque est réalisé par (wegel et lane, 1924) limitée à l'effet
masquant des sons purs qui permet de dégager un certain nombre de lois :
o l'effet de masque est maximal pour les fréquences voisines de celles du son masquant.
ol'effet de masque est négligeable tant que le niveau de masque est faible.
ol'effet de masque croît beaucoup plus vite que le niveau du son masquant.
oles fréquences basses sont les plus gênantes.

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