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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
Perception auditive
Perception auditive
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
oPerception des sons :
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
oPerception des sons :
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
Perception auditive
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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...).
Caractéristiques des ondes acoustiques
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
Caractéristiques des ondes acoustiques
o La fréquence :
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
o La fréquence : Gamme des fréquences
Caractéristiques des ondes acoustiques
o La fréquence :
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
oQuelques grandeurs et relations :
Caractéristiques des ondes acoustiques
oExemple : Quelle est la longueur d’onde d’une onde de fréquence 50 Hz et de
fréquence 8000 Hz .
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
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).
Caractéristiques des ondes acoustiques
oNiveau sonore :
oSi on veut présenter les intensités acoustiques sur un graphe :
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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!!
Caractéristiques des ondes acoustiques
Caractéristiques des ondes acoustiques
•
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
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).
Caractéristiques des ondes acoustiques
oDécibel (dB) :
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
Caractéristiques des ondes acoustiques
oNiveaux sonores pondérés :
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.
Caractéristiques des ondes acoustiques
oNiveaux sonores pondérés :
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).
Caractéristiques des ondes acoustiques
oNiveaux sonores de la voix à 1 m :
Caractéristiques des ondes acoustiques
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) :
Caractéristiques des ondes acoustiques
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
oLes modes de 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).
La représentation du son
oLes modes de représentation du son :
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.
La représentation du son
oLes modes de représentation du son :
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 représentation du son
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.
La qualité d’une onde sonore
oLe son pur et le son complexe :
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.
La qualité d’une onde sonore
oLe son pur et le son complexe :
oLe son pur :
oLe son complexe :
oLe bruit : signal aléatoire
La qualité d’une onde sonore
oLe son pur et le son complexe :
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.
La qualité d’une onde sonore
oLe son pur et le son complexe :
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.
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec un violon.
La qualité d’une onde sonore
oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec une guitare.
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
oLes bruits dans les ondes sonores :
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.
La qualité d’une onde sonore
oLes bruits dans les ondes sonores :
oLe bruit blanc : l’énergie est la même pour toutes les fréquences, comme on peut
trouver aussi que l’énergie augmente aux hautes fréquences.
La qualité d’une onde sonore
oLes bruits dans les ondes sonores :
oLe bruit brun : il présente un excellent niveau aux basses fréquences et qui diminue
rapidement aux hautes fréquences.
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
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).
La qualité d’une onde sonore
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.
La qualité d’une onde sonore
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  • 1. 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
  • 2. 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.
  • 3. 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
  • 4. 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
  • 5. oL’acoustique est l’étude des propriétés des ondes sonores, de leurs productions, de leurs propagations et de leurs effets. Ondes acoustiques
  • 6. 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
  • 7. 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
  • 8. 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
  • 9. Ondes acoustiques oOnde longitudinale : oExemple : Propagation de la déformation d’un ressort.
  • 10. oOnde transversale : la vibration est perpendiculaire au sens de propagation (onde de cisaillement), déformation perpendiculaire à la direction de propagation. Ondes acoustiques
  • 11. oOnde transversale : oExemple : Propagation de la déformation d’une corde. Ondes acoustiques
  • 12. 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).
  • 13. oLe son est associé au mouvement oscillatoire d’un système vibrant (source sonore). Ce phénomène crée une onde acoustique. Son
  • 14. 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
  • 18. 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
  • 19. oPerception des sons : 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
  • 20. oPerception des sons : 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
  • 21. 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
  • 24. 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
  • 25. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 26. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 27. 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...). Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 28. Caractéristiques des ondes acoustiques o Le son, un phénomène temporel
  • 29. 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 Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 30. Caractéristiques des ondes acoustiques o La fréquence :
  • 31. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 32. Caractéristiques des ondes acoustiques o La fréquence :
  • 33. 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 Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 34. o La fréquence : Gamme des fréquences Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 35. o La fréquence : Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 36. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques Où θ, la température de l’aire en °C Θ, température en K(Kelvin)
  • 37. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 38. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 39. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 40. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 41. oQuelques grandeurs et relations : Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 42. oExemple : Quelle est la longueur d’onde d’une onde de fréquence 50 Hz et de fréquence 8000 Hz . Caractéristiques des ondes acoustiques f = 50 Hz, λ = c / f = 340 / 50 = 6,8 m f = 8000 Hz, λ = c / f = 340 / 8000 = 0,0425 m
  • 43. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 44. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 45. 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 Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 46. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 47. 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 Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 48. 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). Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 49. oNiveau sonore : oSi on veut présenter les intensités acoustiques sur un graphe : Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 50. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 51. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 52. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 53. 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!! Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 54. Caractéristiques des ondes acoustiques •
  • 55. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques TF
  • 56. 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. Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 57. Caractéristiques des ondes acoustiques 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
  • 58. Caractéristiques des ondes acoustiques 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).
  • 59. Caractéristiques des ondes acoustiques oDécibel (dB) :
  • 60. Caractéristiques des ondes acoustiques 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
  • 61. Caractéristiques des ondes acoustiques oNiveaux sonores pondérés : 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.
  • 62. Caractéristiques des ondes acoustiques oNiveaux sonores pondérés : 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).
  • 63. Caractéristiques des ondes acoustiques oNiveaux sonores de la voix à 1 m :
  • 65. 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) : Caractéristiques des ondes acoustiques
  • 66. 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
  • 67. oLes modes de 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). La représentation du son
  • 68. oLes modes de représentation du son : 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. La représentation du son
  • 69. oLes modes de représentation du son : 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 représentation du son
  • 70. 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.
  • 71. La qualité d’une onde sonore oLe son pur et le son complexe : 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.
  • 72. La qualité d’une onde sonore oLe son pur et le son complexe : oLe son pur : oLe son complexe : oLe bruit : signal aléatoire
  • 73. La qualité d’une onde sonore oLe son pur et le son complexe : 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.
  • 74. La qualité d’une onde sonore oLe son pur et le son complexe : oLe spectre d’un signal acoustique donne la répartition des fréquences composant le signal.
  • 75. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 76. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 77. oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec un violon. La qualité d’une onde sonore
  • 78. oLe timbre d’un son : Si on joue la note « Ré » avec une guitare. La qualité d’une onde sonore
  • 79. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 80. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 81. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 82. oLes bruits dans les ondes sonores : 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. La qualité d’une onde sonore
  • 83. oLes bruits dans les ondes sonores : oLe bruit blanc : l’énergie est la même pour toutes les fréquences, comme on peut trouver aussi que l’énergie augmente aux hautes fréquences. La qualité d’une onde sonore
  • 84. oLes bruits dans les ondes sonores : oLe bruit brun : il présente un excellent niveau aux basses fréquences et qui diminue rapidement aux hautes fréquences. La qualité d’une onde sonore
  • 85. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 86. 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). La qualité d’une onde sonore
  • 87. 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. La qualité d’une onde sonore
  • 88. Merci pour votre attention