Introduction

Le son est présent en permanence dans notre environnement : parole, musique, circulation routière, machines, ventilateurs ou systèmes de climatisation. D’un point de vue physique, le son ne se limite toutefois pas à une sensation auditive. Il s’agit d’une onde mécanique produite par une vibration et transmise à travers un milieu.

La production d’un son nécessite une source vibrante, tandis que sa propagation nécessite un milieu tel que l’air, un liquide ou un solide. Lorsque ces vibrations atteignent l’oreille humaine ou un instrument de mesure acoustique, elles peuvent être perçues ou mesurées.

Comprendre ces mécanismes constitue la base de notions telles que la pression acoustique, le niveau de pression acoustique, la fréquence, le décibel et la mesure du bruit.

Points essentiels

● Le son est généralement produit par une vibration mécanique.
● Le son est une onde mécanique qui nécessite un milieu pour se propager.
● Dans l’air, il se propage principalement sous forme d’onde longitudinale de pression.
● Il peut se transmettre dans les gaz, les liquides et les solides, mais pas dans le vide.
● La fréquence est principalement liée à la hauteur du son, tandis que l’amplitude vibratoire et la pression acoustique sont liées à son niveau.
● La vitesse du son dépend du milieu de propagation et de son état physique.
● Un sonomètre détecte les variations de pression de l’air provoquées par le son et les convertit en signaux électriques mesurables.

Qu’est-ce que le son ?

D’un point de vue physique, le son est une onde mécanique générée par une vibration et se propageant dans un milieu élastique.

Lorsqu’une membrane de haut-parleur se déplace d’avant en arrière, par exemple, elle agit sur les molécules d’air environnantes. Des zones successives de compression et de raréfaction apparaissent alors et se propagent sous forme d’ondes sonores.

Lorsque ces ondes atteignent l’oreille humaine, les variations de pression font vibrer le tympan. Le système auditif transforme ensuite ces vibrations en signaux nerveux, ce qui permet la perception du son.

Le processus peut être résumé ainsi :

Source sonore vibrante → propagation d’une perturbation dans un milieu → perception ou détection par un récepteur

Le récepteur peut être l’oreille humaine, un microphone, un sonomètre ou tout autre instrument acoustique.

Comment le son est-il produit ?

La condition fondamentale de production d’un son est la vibration.

Lorsqu’un objet effectue une vibration mécanique à une certaine fréquence, il met en mouvement les particules du milieu qui l’entoure.

Quelques exemples :

● Les cordes vocales vibrent lorsque nous parlons.
● La membrane d’un haut-parleur effectue un mouvement alternatif.
● Un moteur peut générer des vibrations au niveau du rotor, des roulements, de l’arbre ou du carter.
● Une plaque métallique vibre après un impact.
● Une corde de guitare vibre après avoir été pincée.

Pour que le son puisse se propager, la vibration doit être transmise à un milieu tel que l’air, l’eau ou une structure solide.

Lorsque la membrane d’un haut-parleur avance, elle comprime l’air situé devant elle. Lorsqu’elle recule, la pression locale diminue. La répétition de ce mouvement génère des variations de pression qui constituent une onde sonore.

Comment le son se propage-t-il ?

Lors de la propagation du son, les molécules d’air ne se déplacent pas directement de la source jusqu’à l’auditeur. Ce sont plutôt la vibration et l’énergie qui se transmettent progressivement dans le milieu.

Dans l’air, les particules proches de la source commencent par osciller autour de leur position d’équilibre. Leur mouvement agit sur les particules voisines, ce qui permet à la perturbation de pression de se déplacer.

Les particules n’effectuent donc que de faibles mouvements locaux, tandis que l’onde sonore se propage dans l’espace.

Le processus peut être décrit ainsi :

● La source sonore met les particules voisines en vibration.
● Ces particules transmettent la perturbation aux particules adjacentes.
● Les variations de pression et l’énergie acoustique se propagent.
● L’onde atteint finalement l’oreille ou un microphone.

Pourquoi le son dans l’air est-il une onde longitudinale ?

Dans l’air, les particules oscillent principalement dans une direction parallèle à celle de propagation de l’onde. Le son aérien est donc généralement une onde longitudinale.

Lorsque la source se déplace vers l’avant, elle crée une zone de compression. Lorsqu’elle recule, une zone de pression plus faible apparaît.

L’alternance de ces compressions et raréfactions se propage dans l’air sous forme d’onde sonore.

La propagation sonore s’accompagne donc de variations continues de la pression atmosphérique locale.

Ces faibles variations constituent la pression acoustique.

Les microphones et les sonomètres mesurent précisément ces variations de pression.

Pourquoi le son a-t-il besoin d’un milieu pour se propager ?

Le son étant une onde mécanique, sa propagation dépend des interactions entre les particules d’un milieu.

Les principaux milieux de propagation sont :

● Les gaz : l’air est le milieu le plus courant pour la transmission sonore quotidienne.
● Les liquides : le son peut se propager dans l’eau et d’autres liquides.
● Les solides : les métaux, le béton, le bois et les structures de bâtiments peuvent transmettre des vibrations mécaniques.

La densité, l’élasticité et la structure interne du milieu influencent la vitesse du son, son atténuation et son mode de propagation.

Dans les solides, la propagation peut être plus complexe et inclure, selon le matériau, des vibrations longitudinales, transversales ou d’autres modes mécaniques.

Le son peut-il se propager dans le vide ?

Non.

Le vide ne contient pas suffisamment de particules pour transmettre une vibration mécanique. Une onde sonore ordinaire ne peut donc pas s’y propager.

La lumière fonctionne différemment : il s’agit d’une onde électromagnétique qui ne nécessite pas de milieu matériel. Le son, lui, dépend des interactions mécaniques de la matière.

Ainsi, même si un objet vibre dans un vide complet, il ne produira pas de son aérien transmissible, sauf si les vibrations sont véhiculées par une autre structure solide.

Dans quels milieux le son peut-il se propager ?

Le son peut se propager dans les gaz, les liquides et les solides, mais ses caractéristiques de transmission varient selon le milieu.

L’air est le principal milieu utilisé pour l’audition humaine et la mesure du bruit environnemental. Le bruit des machines, de la circulation ou d’un bureau est généralement transmis sous forme de bruit aérien.

Les liquides transmettent également le son. Les systèmes sonar utilisent par exemple les ondes acoustiques dans l’eau pour la détection et la localisation.

Les solides peuvent transmettre efficacement les vibrations. Les vibrations d’une machine peuvent se propager dans un socle, une canalisation, un mur, un plancher ou une structure de bâtiment. On parle alors généralement de bruit solidien ou de transmission vibratoire par les structures.

Une analyse acoustique complète peut donc nécessiter de prendre en compte à la fois le bruit aérien et les vibrations structurelles.

Qu’est-ce qui détermine la hauteur d’un son ?

La hauteur d’un son dépend principalement de sa fréquence.

La fréquence correspond au nombre de cycles périodiques par seconde et s’exprime en hertz (Hz).

Par exemple :

● 100 Hz correspondent à environ 100 cycles par seconde.
● 1 000 Hz correspondent à environ 1 000 cycles par seconde.
● 10 000 Hz correspondent à environ 10 000 cycles par seconde.

En général, les basses fréquences sont perçues comme des sons graves, tandis que les fréquences élevées sont perçues comme des sons aigus.

La plage auditive humaine est généralement considérée comme comprise entre environ 20 Hz et 20 kHz, même si elle varie selon l’âge, les individus et l’état de l’audition.

Les sons situés sous cette plage sont appelés infrasons, et ceux situés au-dessus sont appelés ultrasons.

Qu’est-ce qui détermine l’intensité perçue d’un son ?

La force d’un son dépend notamment de l’amplitude de vibration de la source, de la distance de propagation, des conditions acoustiques et de la pression acoustique au point de réception.

Une vibration plus importante produit généralement des variations de pression plus élevées.

Cependant, le niveau sonore réel dépend aussi de nombreux facteurs :

● Distance par rapport à la source ;
● Réflexions sur les murs et les sols ;
● Obstacles ;
● Matériaux absorbants ;
● Absorption atmosphérique ;
● Superposition de plusieurs sources ;
● Position et orientation du point de mesure.

Ainsi, une même source peut produire des niveaux très différents selon l’emplacement de mesure.

En acoustique pratique, le niveau de pression acoustique (SPL) est couramment utilisé pour caractériser le niveau sonore en un point donné et s’exprime en décibels (dB).

Qu’est-ce que la longueur d’onde du son ?

La longueur d’onde décrit une propriété spatiale de l’onde sonore et est représentée par λ.

La relation entre fréquence, longueur d’onde et vitesse du son est :

Vitesse du son = Fréquence × Longueur d’onde

soit :

c = f × λ

où :

● c représente la vitesse du son ;
● f la fréquence ;
● λ la longueur d’onde.

Dans un même milieu et dans des conditions comparables, une fréquence élevée correspond à une longueur d’onde plus courte, tandis qu’une fréquence basse correspond à une longueur d’onde plus longue.

La longueur d’onde influence notamment la diffraction, la réflexion et la répartition spatiale du son. Elle joue donc un rôle important dans la maîtrise du bruit, l’acoustique du bâtiment et l’analyse acoustique des machines.

Quelle est la vitesse du son ?

La vitesse du son n’est pas identique dans tous les environnements. Elle dépend du milieu de propagation et de son état physique.

Dans l’air à température ambiante, elle est d’environ 343 m/s, mais cette valeur varie notamment avec la température.

En règle générale, la vitesse du son dans l’air augmente lorsque la température s’élève.

Le son se propage généralement plus rapidement dans l’eau et dans de nombreux solides que dans l’air. La valeur exacte dépend notamment de la densité et de l’élasticité du matériau.

Dans les analyses acoustiques précises, la vitesse du son ne doit donc pas être considérée comme une constante universelle.

Pourquoi le son s’atténue-t-il avec la distance ?

Le niveau sonore diminue généralement lorsque la distance à la source augmente. Ce phénomène est appelé atténuation acoustique.

Plusieurs mécanismes y contribuent :

● L’énergie acoustique se répartit sur une surface de plus en plus grande.
● L’air absorbe une partie de cette énergie.
● Les murs, machines, meubles et autres objets absorbent, réfléchissent ou diffusent le son.
● Les différentes fréquences ne s’atténuent pas de la même manière.
● Le sol, les bâtiments et les conditions environnementales modifient la propagation.

Le niveau de pression acoustique diminue donc généralement avec la distance. Toutefois, dans les locaux fermés ou les environnements industriels complexes, les réflexions peuvent modifier sensiblement ce comportement.

Que se passe-t-il lorsque le son rencontre un obstacle ?

Lorsqu’une onde sonore rencontre un mur, une machine, un sol ou un autre objet, plusieurs phénomènes peuvent apparaître.

● Réflexion : une partie du son est renvoyée par la surface.
● Absorption : une partie de l’énergie acoustique est absorbée par le matériau.
● Transmission : une partie du son traverse le matériau.
● Diffraction : le son contourne les bords et certains obstacles.
● Diffusion : une surface irrégulière répartit le son dans plusieurs directions.

Le comportement dépend également de la fréquence.

Les matériaux poreux absorbent généralement assez bien les moyennes et hautes fréquences, tandis que les basses fréquences sont souvent plus difficiles à maîtriser.

Ces phénomènes sont fondamentaux en acoustique du bâtiment et en réduction du bruit industriel.

Que se passe-t-il entre la source sonore et l’oreille humaine ?

Une chaîne complète de transmission sonore comprend plusieurs étapes.

● La source vibre : moteur, haut-parleur, cordes vocales ou composant mécanique.
● La vibration agit sur le milieu : les particules d’air ou d’un autre milieu sont mises en mouvement.
● Une onde sonore se forme : des variations de pression ou des perturbations mécaniques apparaissent.
● L’onde se propage : l’énergie acoustique est transférée à travers le milieu.
● L’onde atteint l’oreille : les variations de pression font vibrer le tympan.
● Le système auditif traite le signal : le cerveau interprète notamment la hauteur, le niveau et le timbre.

Les instruments de mesure acoustique suivent un principe comparable, mais utilisent un microphone à la place de l’oreille.

Quelle est la différence entre son et bruit ?

D’un point de vue physique, le son et le bruit ne sont pas deux phénomènes différents : tous deux sont constitués d’ondes acoustiques.

Le terme « son » est généralement neutre, tandis que le terme « bruit » désigne plus souvent un son indésirable, gênant ou potentiellement nocif.

Le son émis par une machine reste physiquement une onde sonore. Dans un environnement professionnel, il peut toutefois être considéré comme un bruit si son niveau ou sa durée d’exposition est important.

Une évaluation du bruit peut notamment tenir compte de :

● Niveau de pression acoustique ;
● Caractéristiques fréquentielles ;
● Durée ;
● Variations dans le temps ;
● Temps d’exposition ;
● Environnement de mesure.

Une évaluation professionnelle ne doit donc pas reposer uniquement sur la perception auditive subjective, mais sur des mesures acoustiques adaptées.

Comment un sonomètre mesure-t-il le son ?

Un sonomètre détecte les variations de pression de l’air produites par le son et les transforme en signaux électriques mesurables.

Une chaîne de mesure typique est :

Son → Microphone → Signal électrique → Traitement du signal → Calcul du niveau sonore → Affichage

Le microphone constitue l’élément d’entrée principal. Lorsque l’onde sonore l’atteint, les variations de pression agissent sur son élément sensible et produisent un signal électrique correspondant.

L’appareil traite ensuite ce signal par amplification, pondération fréquentielle, pondération temporelle et traitement numérique, avant d’afficher des résultats notamment en dB.

La compréhension de la production du son, de sa propagation et de la pression acoustique constitue donc une base essentielle pour comprendre le fonctionnement d’un sonomètre.

FAQ

Le son est-il toujours produit par une vibration ?
Dans le cadre de l’acoustique classique, le son provient d’une vibration ou d’une perturbation mécanique qui génère des variations de pression ou de mouvement capables de se propager dans un milieu.

Pourquoi n’entend-on pas de son ordinaire dans l’espace ?
Parce que l’espace est proche du vide et ne contient pas suffisamment de particules pour transmettre les vibrations mécaniques.

Le son peut-il se propager dans l’eau ?
Oui. L’eau peut transmettre les variations de pression mécanique et permet donc la propagation des ondes sonores.

Le son peut-il traverser un mur ?
Oui. Un mur peut être mis en vibration et transmettre cette vibration à l’autre côté, où elle peut de nouveau produire du son aérien.

Une fréquence plus élevée signifie-t-elle nécessairement un son plus fort ?
Non. La fréquence influence principalement la hauteur du son. Le niveau sonore dépend notamment de la pression acoustique.

Le niveau sonore diminue-t-il toujours avec la distance ?
Il diminue généralement, mais les réflexions, les obstacles, l’absorption, la directivité de la source et la présence de plusieurs sources peuvent modifier le résultat.

Un sonomètre mesure-t-il directement les décibels ?
Le microphone détecte d’abord les variations de pression. L’instrument traite ensuite le signal et calcule des grandeurs acoustiques telles que le niveau de pression acoustique, affichées en dB.

Conclusion

Le son est une onde mécanique produite par une vibration ou une perturbation mécanique et transmise par un milieu tel que l’air, un liquide ou un solide. Dans l’air, ces vibrations génèrent des variations successives de pression qui transportent l’énergie acoustique.

La fréquence, la longueur d’onde, la pression acoustique et la vitesse de propagation figurent parmi les principales caractéristiques physiques du son. La fréquence est étroitement liée à la hauteur, tandis que la pression acoustique constitue une grandeur fondamentale pour la mesure.

Comme le son nécessite un milieu matériel, il ne peut pas se propager dans le vide. Sa propagation est également influencée par la distance, l’absorption, la réflexion, la diffraction, les obstacles et les caractéristiques de l’environnement.

Un sonomètre utilise un microphone pour détecter les variations de pression de l’air et les convertir en signaux électriques pouvant ensuite être traités et exprimés sous forme de niveaux acoustiques mesurables.