Émettre et percevoir un son

Une source sonore est un objet qui vibre : corde, membrane de haut-parleur ou branches d’un diapason. Cette vibration met en mouvement le milieu voisin et peut produire une perturbation qui se propage. Dans l’air, les variations locales de pression se transmettent de proche en proche. Le déplacement d’ensemble de l’air depuis la source jusqu’à l’oreille n’est pas le mécanisme de propagation : les particules du milieu oscillent localement.

Une caisse de résonance facilite le transfert de l’énergie de la vibration vers l’air. Une corde seule peut vibrer sans émettre un son très intense ; associée au corps d’un instrument, elle met en vibration une surface qui communique plus efficacement avec l’air. La caisse ne crée pas la fréquence à partir de rien. Son rôle dans le rayonnement et la modification du son dépend du dispositif, ce qui contribue au caractère sonore de l’instrument.

Une chaîne de mesure distingue source, capteur et acquisition. Le microphone transforme les variations de pression en signal électrique ; l’appareil d’acquisition ou le logiciel enregistre ce signal au cours du temps. La courbe affichée représente un signal mesuré, pas le trajet d’une particule d’air. L’axe horizontal est temporel ; la grandeur verticale dépend du capteur et de son réglage, par exemple une tension électrique.

Le son se propage dans des gaz, des liquides et des solides. Il ne se propage pas dans le vide, car il a besoin d’un milieu matériel. Sa vitesse dépend du milieu et des conditions, notamment de la température dans l’air. Une valeur approchée dans l’air à température ambiante est 340 m/s. La lumière se propage dans l’air à une vitesse beaucoup plus grande ; cela explique que l’on puisse voir un phénomène avant d’en entendre le bruit.

Pour réaliser cette mesure, on enregistre les deux signaux avec une base de temps commune et on repère le même événement. Un bruit bref peut être plus facile à reconnaître qu’un signal répétitif, pour lequel plusieurs motifs se ressemblent. Les microphones doivent être alignés selon le trajet étudié ; sinon, la différence de distances à la source n’est pas égale à leur simple séparation. Répéter la mesure permet d’apprécier la dispersion du retard.

Un signal périodique reproduit le même motif à intervalles réguliers. Sa période T s’exprime en secondes. La fréquence f est reliée à la période par f = 1/T et s’exprime en hertz, de symbole Hz. Une fréquence de 500 Hz signifie 500 périodes par seconde. Plus la période est courte, plus la fréquence est grande. Les deux grandeurs ne sont donc pas proportionnelles mais inverses l’une de l’autre.

Mesurer plusieurs périodes réduit l’influence relative d’une petite erreur de lecture sur les dates. Le résultat dépend toutefois de la précision de la base de temps, de la qualité du signal et du choix des points repères. Un signal bruité ne devient pas parfaitement périodique parce que l’on relie ses points. Il faut examiner une portion suffisante de l’enregistrement et vérifier que le motif se répète réellement.

La hauteur est la perception associée principalement à la fréquence d’un son périodique. À conditions comparables, une fréquence plus élevée correspond à un son plus aigu ; une fréquence plus faible, à un son plus grave. Le domaine d’audition humaine est souvent situé approximativement entre 20 Hz et 20 kHz, mais les limites varient selon les personnes et les conditions. Les infrasons se situent sous ce domaine et les ultrasons au-dessus.

Le timbre permet de distinguer deux instruments jouant une même note. Deux signaux peuvent avoir la même période et des formes différentes : leur hauteur peut être identique alors que leur timbre diffère. Un signal sinusoïdal représente un son pur idéal. Un signal périodique de forme plus complexe peut représenter un son composé. Le dessin de la courbe dépend aussi du capteur ; on compare donc les signaux avec une même chaîne de mesure et des réglages cohérents.

L’amplitude décrit l’importance des variations du signal. À fréquence et dispositif comparables, une amplitude plus grande correspond généralement à une intensité sonore plus élevée. Le niveau d’intensité sonore s’exprime en décibels, de symbole dB, et son échelle n’est pas linéaire : doubler un nombre de décibels ne signifie pas doubler l’intensité. Le niveau est une mesure physique ; le volume ressenti dépend aussi de la fréquence et de l’auditeur.

Une table d’étude peut indiquer des intensités relatives 1, 10 et 100 associées respectivement à 50, 60 et 70 dB. On lit alors qu’un accroissement identique de 10 dB correspond ici à une multiplication identique de l’intensité, pas à une addition constante de celle-ci. Cette lecture illustre une échelle non linéaire ; elle ne fournit pas une durée d’exposition sûre. Le risque auditif dépend notamment du niveau et de la durée d’exposition.

Pour limiter l’exposition, on peut réduire le niveau à la source, s’éloigner et faire des pauses dans le calme. Une mesure par un appareil non étalonné reste indicative ; on ne s’en sert pas pour certifier l’absence de risque. En classe, on enregistre des sons à niveau modéré et on évite les bruits impulsifs près de l’oreille. Un microcontrôleur peut commander un émetteur sonore à une fréquence choisie ; l’expérience doit vérifier la période du signal produit plutôt que supposer que le réglage suffit à la prouver.