Physique des sons et acoustique

Programme de TS, enseignement de spécialité

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

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 (1642-1727) rôle de l'élasticité dans la propagation sonore Bernouilli D. (1700-1782) théorie cinétique des gaz d'Alembert (1717-1783) traité de l'équilibre et du mouvement des fluides (1744) Savart (1791-1841) hauteur du son, inventeur du sonomètre Helmholtz (1821-1894) timbre du son, harmoniques Rayleigh (1842-1919) théorie du son (1895) au XXème siècle: développement de l'électroacoustique

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:

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

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.

pour un gaz parfait:

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

4- Niveaux acoustiques niveau de X1 / à X2 : niveau acoustique relatif: niveau acoustique absolu: I0 = 10-12 W/m² p0 = 2 x 10-5 Pa

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

pertes d'audition en fonction de l'âge

2- Sensation d'intensité – Niveaux physiologiques

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

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

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

7- Le sonomètre

8- Dangers / audiométrie

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

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

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 (1517-1590) ou gamme naturelle gamme à tempérament égal

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

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

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

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

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

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

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

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

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"

Caractéristiques d'un microphone sensibilité directivité effet de taille

qualité piézo. électrodynamique électrostatique

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

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.