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Son

Un tambour produit du son via une membrane vibrante . Cadences de tambour interprétées par l' United States Navy Band Des problèmes pour lire ce fichier ? Voir l'aide multimédia...

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Cadences de tambour interprétées par l' United States Navy Band

En physique , le son est une vibration qui se propage sous forme d' onde acoustique à travers un milieu de transmission tel qu'un gaz, un liquide ou un solide. En physiologie et en psychologie humaines , le son est la réception de telles ondes et leur perception par le cerveau . Seules les ondes acoustiques dont les fréquences se situent entre environ 20 Hz et 20 kHz, la gamme de fréquences audio , suscitent une perception auditive chez l'homme. Dans l'air à pression atmosphérique, il s'agit d'ondes sonores dont les longueurs d'onde sont comprises entre 17 mètres (56 pieds) et 1,7 centimètre (0,67 pouce). Les ondes sonores supérieures à 20 kHz sont appelées ultrasons et ne sont pas audibles par l'homme. Les ondes sonores inférieures à 20 Hz sont appelées infrasons . Différentes espèces animales ont des plages d'audition différentes .

Le son est défini comme « (a) une oscillation de pression, de contrainte, de déplacement de particules, de vitesse de particules, etc., propagée dans un milieu avec des forces internes (par exemple, élastique ou visqueux), ou la superposition d'une telle oscillation propagée. (b) une sensation auditive évoquée par l'oscillation décrite en (a). » Le son peut être considéré comme un mouvement ondulatoire dans l'air ou dans d'autres milieux élastiques. Dans ce cas, le son est un stimulus. Le son peut également être considéré comme une excitation du mécanisme auditif qui entraîne la perception du son. Dans ce cas, le son est une sensation .

L'acoustique est une science interdisciplinaire qui étudie les ondes mécaniques dans les gaz, les liquides et les solides, notamment les vibrations , le son, les ultrasons et les infrasons. Un scientifique qui travaille dans le domaine de l'acoustique est un acousticien , tandis qu'une personne travaillant dans le domaine de l'ingénierie acoustique peut être appelée ingénieur acoustique . Un ingénieur du son , quant à lui, s'occupe de l'enregistrement, de la manipulation, du mixage et de la reproduction du son.

Les applications de l'acoustique se retrouvent dans presque tous les aspects de la société moderne. Les sous-disciplines comprennent l'aéroacoustique , le traitement du signal audio , l'acoustique architecturale , la bioacoustique , l'électroacoustique, le bruit environnemental , l'acoustique musicale , le contrôle du bruit , la psychoacoustique , la parole , les ultrasons , l'acoustique sous-marine et les vibrations .

Le son peut se propager dans un milieu tel que l'air, l'eau et les solides sous forme d'ondes longitudinales et également sous forme d' onde transversale dans les solides . Les ondes sonores sont générées par une source sonore, telle que le diaphragme vibrant d'un haut-parleur stéréo. La source sonore crée des vibrations dans le milieu environnant. Lorsque la source continue de faire vibrer le milieu, les vibrations se propagent loin de la source à la vitesse du son , formant ainsi l'onde sonore. À une distance fixe de la source, la pression , la vitesse et le déplacement du milieu varient dans le temps. À un instant donné, la pression, la vitesse et le déplacement varient dans l'espace. Les particules du milieu ne voyagent pas avec l'onde sonore. Cela est intuitivement évident pour un solide, et il en va de même pour les liquides et les gaz (c'est-à-dire que les vibrations des particules dans le gaz ou le liquide transportent les vibrations, tandis que la position moyenne des particules au fil du temps ne change pas). Pendant la propagation, les ondes peuvent être réfléchies , réfractées ou atténuées par le milieu.

Le comportement de la propagation du son est généralement affecté par trois facteurs :

• Relation complexe entre la densité et la pression du milieu. Cette relation, influencée par la température, détermine la vitesse du son dans le milieu.
• Mouvement du milieu lui-même. Si le milieu est en mouvement, ce mouvement peut augmenter ou diminuer la vitesse absolue de l'onde sonore en fonction de la direction du mouvement. Par exemple, le son se déplaçant à travers le vent verra sa vitesse de propagation augmentée par la vitesse du vent si le son et le vent se déplacent dans la même direction. Si le son et le vent se déplacent dans des directions opposées, la vitesse de l'onde sonore sera diminuée par la vitesse du vent.
• Viscosité du milieu. La viscosité du milieu détermine la vitesse à laquelle le son est atténué. Pour de nombreux milieux, comme l'air ou l'eau, l'atténuation due à la viscosité est négligeable.

Lorsque le son se déplace dans un milieu qui n’a pas de propriétés physiques constantes, il peut être réfracté (dispersé ou focalisé).

Les vibrations mécaniques qui peuvent être interprétées comme du son peuvent se propager à travers toutes les formes de matière : gaz, liquides, solides et plasmas . La matière qui supporte le son est appelée le milieu . Le son ne peut pas se propager dans le vide .

Des études ont montré que les ondes sonores sont capables de transporter une petite quantité de masse et sont entourées d’un faible champ gravitationnel.

Le son se transmet à travers les gaz, le plasma et les liquides sous forme d'ondes longitudinales , également appelées ondes de compression . Il nécessite un milieu pour se propager. Cependant, dans les solides, il peut être transmis à la fois sous forme d'ondes longitudinales et d'ondes transversales . Les ondes sonores longitudinales sont des ondes de déviation de pression alternée par rapport à la pression d'équilibre , provoquant des zones locales de compression et de raréfaction , tandis que les ondes transversales (dans les solides) sont des ondes de contrainte de cisaillement alternée perpendiculairement à la direction de propagation.

Les ondes sonores peuvent être observées à l’aide de miroirs paraboliques et d’objets produisant du son.

L'énergie transportée par une onde sonore oscillante se convertit en va-et-vient entre l'énergie potentielle de la compression supplémentaire (dans le cas des ondes longitudinales) ou de la contrainte de déplacement latéral (dans le cas des ondes transversales) de la matière, et l'énergie cinétique de la vitesse de déplacement des particules du milieu.

Bien que la transmission des sons soit complexe, au point de réception (c'est-à-dire les oreilles), le son peut être facilement divisé en deux éléments simples : la pression et le temps. Ces éléments fondamentaux constituent la base de toutes les ondes sonores. Ils peuvent être utilisés pour décrire, en termes absolus, chaque son que nous entendons.

Afin de mieux comprendre le son, une onde complexe telle que celle représentée sur un fond bleu à droite de ce texte, est généralement séparée en ses parties composantes, qui sont une combinaison de diverses fréquences d'ondes sonores (et de bruit).

Les ondes sonores sont souvent simplifiées en une description en termes d' ondes planes sinusoïdales , qui sont caractérisées par ces propriétés génériques :

• Fréquence , ou son inverse, longueur d'onde
• Amplitude , pression sonore ou intensité
• Vitesse du son
• Direction

Les sons perceptibles par les humains ont des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz environ. Dans l'air à température et pression normales , les longueurs d'onde correspondantes des ondes sonores varient de 17 m (56 pi) à 17 mm (0,67 po). Parfois, la vitesse et la direction sont combinées sous forme de vecteur de vitesse ; le nombre d'ondes et la direction sont combinés sous forme de vecteur d'onde .

Les ondes transversales , également appelées ondes de cisaillement , ont une propriété supplémentaire, la polarisation , qui n'est pas une caractéristique des ondes sonores longitudinales.

La vitesse du son dépend du milieu traversé par les ondes et constitue une propriété fondamentale du matériau. Le premier effort significatif de mesure de la vitesse du son a été réalisé par Isaac Newton . Il pensait que la vitesse du son dans une substance particulière était égale à la racine carrée de la pression agissant sur elle divisée par sa densité :

Cette équation fut par la suite démentie et le mathématicien français Laplace corrigea la formule en déduisant que le phénomène de propagation du son n'était pas isotherme, comme le croyait Newton, mais adiabatique . Il ajouta un autre facteur à l'équation, gamma , et multiplia le tout par , ce qui donna l'équation . Comme , l'équation finale était , également connue sous le nom d'équation de Newton-Laplace. Dans cette équation, K est le module d'élasticité volumique, c est la vitesse du son et est la densité. Ainsi, la vitesse du son est proportionnelle à la racine carrée du rapport entre le module d'élasticité volumique du milieu et sa densité.

Ces propriétés physiques et la vitesse du son changent avec les conditions ambiantes. Par exemple, la vitesse du son dans les gaz dépend de la température. Dans l'air à 20 °C (68 °F) au niveau de la mer, la vitesse du son est d'environ 343 m/s (1 230 km/h ; 767 mph) en utilisant la formule v  [m/s] = 331 + 0,6  T  [°C] . La vitesse du son est également légèrement sensible, étant soumise à un effet anharmonique du second ordre , à l'amplitude du son, ce qui signifie qu'il existe des effets de propagation non linéaires, tels que la production d'harmoniques et de tons mixtes non présents dans le son d'origine (voir tableau paramétrique ). Si les effets relativistes sont importants, la vitesse du son est calculée à partir des équations d'Euler relativistes .

Dans l'eau douce, la vitesse du son est d'environ 1 482 m/s (5 335 km/h ; 3 315 mph). Dans l'acier, la vitesse du son est d'environ 5 960 m/s (21 460 km/h ; 13 330 mph). Le son se déplace le plus rapidement dans l'hydrogène atomique solide, à environ 36 000 m/s (129 600 km/h ; 80 530 mph).

La pression acoustique est la différence, dans un milieu donné, entre la pression locale moyenne et la pression dans l'onde sonore. Le carré de cette différence (c'est-à-dire le carré de l'écart par rapport à la pression d'équilibre) est généralement moyenné dans le temps et/ou l'espace, et la racine carrée de cette moyenne fournit une valeur quadratique moyenne (RMS). Par exemple, une pression acoustique RMS de 1 Pa (94 dBSPL) dans l'air atmosphérique implique que la pression réelle dans l'onde sonore oscille entre (1 atmPa) et (1 atmPa), c'est-à-dire entre 101323,6 et 101326,4 Pa. Comme l'oreille humaine peut détecter des sons avec une large gamme d'amplitudes, la pression acoustique est souvent mesurée comme un niveau sur une échelle logarithmique de décibels . Le niveau de pression acoustique (SPL) ou L _p est défini comme

où p est la pression acoustique moyenne quadratique et est une pression acoustique de référence . Les pressions acoustiques de référence couramment utilisées, définies dans la norme ANSI S1.1-1994 , sont de 20 μPa dans l'air et de 1 μPa dans l'eau. Sans pression acoustique de référence spécifiée, une valeur exprimée en décibels ne peut pas représenter un niveau de pression acoustique.

L'oreille humaine n'ayant pas de réponse spectrale plate , les pressions acoustiques sont souvent pondérées en fréquence afin que le niveau mesuré corresponde plus étroitement aux niveaux perçus. La Commission électrotechnique internationale (CEI) a défini plusieurs systèmes de pondération. La pondération A tente de faire correspondre la réponse de l'oreille humaine au bruit et les niveaux de pression acoustique pondérés A sont étiquetés dBA. La pondération C est utilisée pour mesurer les niveaux de crête.

Une utilisation distincte du terme son de son utilisation en physique est celle en physiologie et en psychologie, où le terme fait référence au sujet de la perception par le cerveau. Le domaine de la psychoacoustique est dédié à de telles études. Le dictionnaire Webster définit le son comme : « 1. La sensation d'entendre, ce qui est entendu ; spécifique : a. Psychophysique. Sensation due à la stimulation des nerfs auditifs et des centres auditifs du cerveau, généralement par des vibrations transmises dans un milieu matériel, généralement l'air, affectant l'organe de l'audition. b. Physique. Énergie vibratoire qui provoque une telle sensation. Le son se propage par des perturbations vibratoires longitudinales progressives (ondes sonores). » Cela signifie que la réponse correcte à la question : « si un arbre tombe dans une forêt et que personne n'est là pour l'entendre, fait-il un bruit ? » est « oui » et « non », selon que l'on répond en utilisant respectivement la définition physique ou psychophysique.

La réception physique du son dans tout organisme auditif est limitée à une gamme de fréquences. Les humains entendent normalement des fréquences sonores comprises entre environ 20 Hz et 20 000 Hz (20 kHz ), La limite supérieure diminue avec l'âge. Parfois, le son se réfère uniquement aux vibrations dont les fréquences sont dans la gamme audible pour les humains ou parfois il se rapporte à un animal particulier. D'autres espèces ont des gammes d'audition différentes. Par exemple, les chiens peuvent percevoir des vibrations supérieures à 20 kHz.

En tant que signal perçu par l'un des principaux sens , le son est utilisé par de nombreuses espèces pour détecter un danger , naviguer , attraper un prédateur et communiquer. L'atmosphère terrestre , l'eau et pratiquement tout phénomène physique , comme le feu, la pluie, le vent, les vagues ou les tremblements de terre, produisent (et sont caractérisés par) leurs sons uniques. De nombreuses espèces, comme les grenouilles, les oiseaux, les mammifères marins et terrestres , ont également développé des organes spéciaux pour produire des sons. Chez certaines espèces, ceux-ci produisent le chant et la parole . De plus, les humains ont développé une culture et une technologie (comme la musique, le téléphone et la radio) qui leur permettent de générer, d'enregistrer, de transmettre et de diffuser des sons.

Le bruit est un terme souvent utilisé pour désigner un son indésirable. En sciences et en ingénierie, le bruit est un élément indésirable qui masque un signal souhaité. Cependant, dans la perception sonore, il peut souvent être utilisé pour identifier la source d'un son et constitue un élément important de la perception du timbre (voir ci-dessous).

Le paysage sonore est la composante de l'environnement acoustique qui peut être perçue par l'homme. L'environnement acoustique est la combinaison de tous les sons (audibles ou non par l'homme) présents dans une zone donnée, tels que modifiés par l'environnement et compris par les personnes, dans le contexte de l'environnement qui les entoure.

Il existe, historiquement, six manières expérimentalement séparables d'analyser les ondes sonores. Il s'agit de : la hauteur , la durée , l'intensité , le timbre , la texture sonore et la localisation spatiale . Certains de ces termes ont une définition normalisée (par exemple dans la terminologie acoustique ANSI/ASA S1.1-2013 ). Des approches plus récentes ont également considéré l'enveloppe temporelle et la structure temporelle fine comme des analyses pertinentes sur le plan perceptif.

La hauteur tonale est perçue comme le degré de « basse » ou de « haute » d'un son et représente la nature cyclique et répétitive des vibrations qui le composent. Pour les sons simples, la hauteur tonale est liée à la fréquence de la vibration la plus lente du son (appelée harmonique fondamentale). Dans le cas de sons complexes, la perception de la hauteur tonale peut varier. Parfois, les individus identifient des hauteurs tonales différentes pour le même son, en fonction de leur expérience personnelle de modèles sonores particuliers. La sélection d'une hauteur tonale particulière est déterminée par un examen préconscient des vibrations, y compris de leurs fréquences et de l'équilibre entre elles. Une attention particulière est accordée à la reconnaissance des harmoniques potentielles. Chaque son est placé sur un continuum de hauteur tonale allant du bas vers le haut.

Par exemple : le bruit blanc (bruit aléatoire réparti uniformément sur toutes les fréquences) sonne plus haut que le bruit rose (bruit aléatoire réparti uniformément sur les octaves) car le bruit blanc a un contenu en hautes fréquences plus important.

La durée est perçue comme la « longueur » ou la « brièveté » d'un son et est liée aux signaux de début et de fin créés par les réponses nerveuses aux sons. La durée d'un son s'étend généralement du moment où le son est perçu pour la première fois jusqu'à ce que le son soit identifié comme ayant changé ou cessé. Parfois, cela n'est pas directement lié à la durée physique d'un son. Par exemple, dans un environnement bruyant, les sons interrompus (sons qui s'arrêtent et repartent) peuvent sembler continus car les messages décalés sont manqués en raison des perturbations causées par des bruits dans la même bande passante générale. Cela peut être très utile pour comprendre les messages déformés tels que les signaux radio qui souffrent d'interférences, car (en raison de cet effet) le message est entendu comme s'il était continu.

L'intensité sonore est perçue comme la « force » ou la « douceur » d'un son et est liée au nombre total de stimulations du nerf auditif sur de courtes périodes de temps cycliques, très probablement sur la durée des cycles d'ondes thêta. Cela signifie que sur de courtes durées, un son très court peut sembler plus doux qu'un son plus long, même s'ils sont présentés au même niveau d'intensité. Au-delà de 200 ms environ, ce n'est plus le cas et la durée du son n'affecte plus l'intensité sonore apparente du son.

Le timbre est perçu comme la qualité de différents sons (par exemple le bruit sourd d'une pierre tombée, le vrombissement d'une perceuse, le ton d'un instrument de musique ou la qualité d'une voix) et représente l'attribution préconsciente d'une identité sonore à un son (par exemple « c'est un hautbois ! »). Cette identité est basée sur des informations obtenues à partir des transitoires de fréquence, du bruit, de l'instabilité, de la hauteur perçue et de la propagation et de l'intensité des harmoniques dans le son sur une période de temps prolongée. La façon dont un son change au fil du temps fournit la plupart des informations pour l'identification du timbre. Même si une petite section de la forme d'onde de chaque instrument semble très similaire, les différences de changements au fil du temps entre la clarinette et le piano sont évidentes à la fois dans le volume sonore et le contenu harmonique. Les différents bruits entendus sont moins perceptibles, tels que les sifflements d'air pour la clarinette et les coups de marteau pour le piano.

La texture sonore se rapporte au nombre de sources sonores et à l'interaction entre elles. Le mot texture , dans ce contexte, se rapporte à la séparation cognitive des objets auditifs. En musique, la texture est souvent désignée par la différence entre l'unisson , la polyphonie et l'homophonie , mais elle peut également se rapporter (par exemple) à un café animé ; un son qui pourrait être qualifié de cacophonie .

La localisation spatiale représente le placement cognitif d'un son dans un contexte environnemental ; y compris le placement d'un son sur le plan horizontal et vertical, la distance par rapport à la source sonore et les caractéristiques de l'environnement sonore. Dans une texture épaisse, il est possible d'identifier plusieurs sources sonores en utilisant une combinaison de localisation spatiale et d'identification du timbre.

Les ultrasons sont des ondes sonores dont les fréquences sont supérieures à 20 000 Hz. Les ultrasons ne diffèrent pas du son audible dans leurs propriétés physiques, mais ne peuvent pas être entendus par l'homme. Les appareils à ultrasons fonctionnent avec des fréquences allant de 20 kHz à plusieurs gigahertz.

L'échographie médicale est couramment utilisée à des fins de diagnostic et de traitement.

Les infrasons sont des ondes sonores dont les fréquences sont inférieures à 20 Hz. Bien que les sons de fréquence aussi basse soient trop faibles pour que les humains les entendent comme une hauteur, ces sons sont entendus comme des impulsions discrètes (comme le bruit de « claquement » d'une moto au ralenti). Les baleines, les éléphants et d'autres animaux peuvent détecter les infrasons et les utiliser pour communiquer. Ils peuvent être utilisés pour détecter les éruptions volcaniques et sont utilisés dans certains types de musique.