Physique des sons et acoustique.

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1 Physique des sons et acoustique

2 Programme de TS, enseignement de spécialité

3 2 aspects du son: 1- aspect physique ou objectif
dépend de paramètres liés à la source sonore et au milieu de propagation son  vibration acoustique 2- aspect physiologique ou subjectif correspond à l'interprétation du phénomène physique par le système sensoriel son  sensation auditive

4 HISTORIQUE à l'origine: étude des sons musicaux
jusqu'au XVIIème s. "musique", totalement empirique développement théorique puis expérimental aux XVIIIème et XIXème s. Newton ( ) rôle de l'élasticité dans la propagation sonore Bernouilli D. ( ) théorie cinétique des gaz d'Alembert ( ) traité de l'équilibre et du mouvement des fluides (1744) Savart ( ) hauteur du son, inventeur du sonomètre Helmholtz ( ) timbre du son, harmoniques Rayleigh ( ) théorie du son (1895) au XXème siècle: développement de l'électroacoustique

5 I- Aspects physiques du son
1- Mécanisme de propagation nécessité d'un milieu matériel  élasticité cas idéal de propagation d'une onde plane dans un fluide:

6 2- Différentes vitesses
2-1- vitesse d'agitation thermique théorie cinétique des gaz (Maxwell-Boltzmann) <v> f(v) v fmax v* u

7 2-2- vitesse particulaire ou vitesse acoustique
2-3- célérité, vitesse du son c ne dépend que du milieu de propagation (nature, température,…) ; elle est indépendante de l'énergie initiale de la perturbation.

8 pour un gaz parfait:

9 3- Intensité (physique) sonore
 puissance acoustique surfacique, instantanée ou moyenne

10 4- Niveaux acoustiques niveau de X1 / à X2 : niveau acoustique relatif: niveau acoustique absolu: I0 = W/m² p0 = 2 x 10-5 Pa

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12 II- Aspects physiologiques du son
1- Limites de l'audition

13 pertes d'audition en fonction de l'âge

14 2- Sensation d'intensité – Niveaux physiologiques

15 3- Sensibilité différentielle d'intensité
4- Sensibilité différentielle de fréquence

16 5- Effet de masque fréquence du son masquant: f = 1200 Hz
niveau dont il faut augmenter le son masqué pour qu'il ait le même niveau physiologique qu'en l'absence de masque

17 constante de temps de l'appareil auditif:
6- Effet de la durée des sons constante de temps de l'appareil auditif: 100 ms < t < 200 ms

18 7- Le sonomètre

19 8- Dangers / audiométrie

20 III- Eléments d'acoustique musicale
1- Hauteur intervalle musical des fréquences N1 et N2: hauteur absolue d'un son pur: hauteur relative: octave: savart:

21 2- Gamme suite de notes comprises dans l’intervalle d’une octave définie par: la fréquence exacte de chacune des notes la rapport de fréquences entre notes consécutives ou 2-1- Deux types de gammes gamme diatonique Do Ré Mi Fa Sol La Si Do T T t T T T t

22 gamme chromatique notes altérées: Do Ré Fa Sol Do # Sol b nouveaux intervalles: demi-ton chromatique, entre 2 notes du même nom demi-ton diatonique, entre 2 notes de nom différent 2-2- Les principales gammes gamme de Pythagore (6ème s. av J.C.) gamme de Zarlino ( ) ou gamme naturelle gamme à tempérament égal

23 2-3- Hauteur absolue des notes
18ème s. note de référence: la3 1859 par décret: la3  435 Hz (en France) 1953 conférence internationale: la3  440 Hz en pratique: la3 moyen d'orchestre ~ 444 Hz

24 3- Timbre qualité permettant de distinguer un son parmi d'autres ayant la même intensité et la même hauteur. facteurs: harmoniques: nombre intensité relative domaine de fréquences concerné partiels transitoires conditions d'écoute

25 IV- Transducteurs électroacoustiques
Système acoustique Système électrique Transducteur électroacoustique microphones hauts-parleurs

26 Principe - micro : déplacement d'un organe mécanique modification de l'état d'un circuit électrique - H.P. : moteur électrique déplacement d'un organe mécanique transducteur électromécanique

27 Principaux types de transducteurs
1- Conversion électrodynamique élément de conducteur mobile dans un champ d'induction

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29 reliée à un système électrique
exemple: transducteur à bobine mobile Bobine: solidaire d'un système mécanique qu'elle entraîne (H.P.) qui l'entraîne (micro) reliée à un système électrique d'alimentation (H.P.) consommateur

30 2- Conversion électrostatique
relation entre grandeurs électriques et mécaniques d'un condensateur dont une armature est mobile nécessité d'un dispositif de polarisation pour que le condensateur au repos soit chargé

31 Transducteur électrostatique à électret
électret: matériau diélectrique susceptible de conserver en permanence une polarisation électrique polymères: Teflon® , Mylar® films minces: 10 – 25 mm

32 3- Conversion piézoélectrique
déformation de certains matériaux lorsqu'ils sont soumis à un champ électrique et, réciproquement, polarisation de ces matériaux sous l'action de contraintes mécaniques. monocristaux naturellement piézo. : quartz, LiNbO3 céramiques ferroélectriques: "PZT"

33 Caractéristiques d'un microphone
sensibilité directivité effet de taille

34 qualité piézo. électrodynamique électrostatique

35 Caractéristiques d'un haut-parleur
rendement: puissance acoustique rayonnée / puissance électrique consommée directivité = f (fréquence) réponse en fréquence

36 BIBLIOGRAPHIE 1- Généralités Le son, Que sais-je n° 293, PUF 2- Aspects physique et physiologique d'un son, acoustique musicale Vibrations et acoustique, Fleury et Mathieu, Eyrolles Acoustique, physique et perception, Liénard, Eyrolles Acoustique et musique, Leipp, Masson 3- Electroacoustique, transducteurs Electroacoustique, Rossi, Dunod Physique appliquée à la reproduction des sons et des images, Didier, Masson Le livre des techniques du son, Eyrolles Techniques des H.P. et enceintes acoustiques, Loyez, Eyrolles 4- Articles du BUP BUP n° 761, spécial " le son" A propos d'acoustique musicale: la question des gammes, Beaufils et Grente, BUP n° 775.