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Le Son

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Qu'est-ce-que le son ?

Lorsqu'un objet vibre (à la suite d'un choc par exemple)
il ébranle les molécules d'air qui l'environnent,
lesquelles ébranlent à leur tour toutes celles qui les entourent.
L'ébranlement initial se propage ainsi en tous sens dans l'atmosphère ambiante
à une vitese qui dépend de la densité de celle-ci, c.à.d. de la pression atmosphérique.
v # 340 m/s à 15°C et sous une pression atmosphérique normale de 1013 hPa.

En un point éloigné,
cet ébranlement produit une variation analogue de la pression atmosphérique mais d'amplitude plus faible.

Si la vibration qui produit le son se prolonge dans le temps,
la pression en tout point éloigné varie au même rythme qu'elle
avec un retard d'autant plus grand que le point est éloigné.

Le son est une variation rapide de la pression atmosphérique.



Pour son traitement (enregistrement, modifications, amplification)
le son est généralement converti en variations de tension électrique
proportionnelles aux variations de pression,
grâce à des dispositifs appelés d'une manière générale "microphones".


Voici l'oscillogramme (amplitude en ordonnées en fonction du temps en abscisses)
d'une phrase réellement prononcée devant un microphone.


Principales caractéristiques d'un son
Deux caractéristiques essentielles de la perception des sons
(vocabulaire technique) :
  • La Sonie
    Traduction dans le langage courant :
    • sonie élevée : son fort
    • faible sonie   : son faible
  • Ce phénomène est lié à la puissance (en Watt)
    que l'appareil qui produit le bruit transforme en bruit.
  • La Tonie
    Traduction dans le langage courant :
    • tonie élevée : son aigu :
    • basse tonie  : son grave :

    Ce phénomène est lié à la fréquence (en Hertz Hz)
    du phénomène vibratoire qui produit le son.Le son aigu ci-dessus correspond à des vivrationq sinusoïdales
    de fréquence 3000 Hz

    Le son grave ci-dessus correspond à une vivration sinusoïdales
    de fréquence   100 Hz

A des approches différentes du phénomène "son" correspondent des mots différents
pour désigner les mêmes réalités.

On peut en effet apréhender les sons sur le plan purement sensoriel, ou musical, ou physiologique, ou physique ou mathématique.

1° Force - Sonie - Amplitude

Dans une approche purement sensorielle, nous disons d'un son qu'il est fort ou faible.
Les musiciens diront : forte, fortissimo, piano, pianissimo.
Les théoriciens du son parlent de forte ou faible sonie

Sur le plan de la physique et des mathématiques elles correspondent à
l ' amplitude des variations de pression de l'air provoquées par la voix, un instrument, etc..
Une fois converties en variations de tension par un microphone, ce sera l'amplitude de ces tensions.

Comme tout phénomène impliquant la physiologie, la sonie se repère en décibels.

Il est indispensable de se familiariser avec ce mode de repérage,
décrit dans ce même site à la rubrique "Décibels" :

2° Hauteur - Tonie - Fréquence

Dans les approches sensorielle ou musicale, nous disons d'un son qu'il est aigu ou grave.

Les théoriciens de la musique parlent de "tonie" élevée ou basse.

Physiquement, cela correspond à la fréquence
C.à.d. au nombre de variations de pression par seconde (évaluée en Hertz, Hz).
Plus un son est aigu, plus sa fréquence est élevée.

La bande des fréquences audibles par les êtres humains s'étale entre
quelques dizaines de Hertz à 16 kHz ou 20 kHz selon l'âge.

3° Timbre - Harmoniques

Deux instruments différents un piano, un violon, une clarinette, ou deux personnes différentes
peuvent fort bien émettre un son de mêmes amplitude et fréquence ( un la3 par exemple ) .

Les musiciens parlent de différences de timbre permettant de reconnaître les instruments.
Tout un chacun reconnaît le timbre d'une voix, même au téléphone.

Bien que ces sons aient la même fréquence et la même amplitude, ils nous paraissent différents.
Quelle est cette autre caractéristique des sons qui diffère ?
Nous allons voir que c'est sa composition spectrale en harmoniques.


En réalité un son est rarement purement sinusoïdal :


Fig. 2 Diagramme réel amplitude / temps d'une son correspondant à la voix humaine.


Nous rappelons ci-dessous la définition d'une sinusoïde et ses grandeurs caractéristiques :
amplitude A, fréquence F.

Le son est produit dans la grande majorité des cas par des objets entrés en vibration de diverses manières.
Or, les lois de la physique impliquent que ces vibrations ne se font pas au hasard : leurs dimensions jouent un grand rôle. D'une manière quasi générale, plus les objets sont petits plus leur fréquence de vibration propre est élevée
et plus ils rendent un son aigu.

On a dessiné ci-dessous les déformations multiples et simultanées que subit une lame ou une corde
d'instrument vibrant librement après un choc.
On peut les voir à l'aide d'un stroboscope.
Elles ont généralement une amplitude d'une fraction de millimètre à quelques millimètres..
Dans la figure ci-dessous, l'amplitude a été exagérée pour les rendre pus visibles.

On observe plusieurs modes simultanés de vibration génèrant des sinusoides
dont les fréquences sont multiples de la plus basse d'entre elles appelée vibration la fondamentale

Les autres vibrations ont naturellement pour fréquences celle de la fondamentale multipliée par 2, 3 etc.
Ce sont les harmoniques 2, 3 etc.


La plupart des objets rigides mis en vibration émettent un son complexe,
composé de sons sinusoidaux purs,
dont le plus grave s'appelle la composante fondamentale.
Si F est la fréquence de la fondamentale
les autres composantes ont pour fréquences 2.F, 3.F, 4.F etc.
(multiples entiers de la fondamentale)
et s'appellent les harmoniques 2, 3, 4 etc.

Cette observation expérimentale, que les facteurs d'instruments de musique mettent si bien à profit pour enrichir la gamme harmonique de leurs créations, fait l'objet d'un théorème de mathématiques qui s'énonce :

- Théorème de Fourier -

Toute fonction périodique de fréquence F
peut être décomposée en une somme de fonctions sinusoïdales
de fréquences 2F, 3F, ... multiples entiers de F.

Pour des sons naturels, les amplitudes des harmoniques décroissent rapidement quand leur rang augmente.



Spectre harmonique réel
correspondant au diagramme temporel de voix humaine représentée plus haut en Fig.2.

Les harmoniques de rang très élevé ont donc généralement peu d'influence sur la qualité du son.
D'autant moins qu'elles dépassent les possibilités d'audibilité par l'humain.

Comme, de plus, elles sont généralement techniquement difficiles à gérer,
l'ensemble des techniques liées au traitement du son ne considèrent que celles qui se trouvent dans la bande audible.

Il en est de même pour les fréquences très basses, inaudibles.

Par exemple, dans les techniques de transmission téléphonique de la voix,
on ne traite théoriquement que les fréquences situées entre 0 Hz et 4 kHz. Pratiquement entre 300 Hz et 3,4 kHz.

Bien que l'oreille humaine puisse bien entendre les sons au-delà de 4 kHz,
cela suffit pour une bonne reproduction de la voix qui reste très reconnaissanble.

En contrepartie, les fréquences hautes étant difficiles à traiter, il en résulte une l'économie sur les équipements
ainsi que la possibilité de gérer de très multiples communications sur des lignes communes (multiplexage),
ce qui représente des avantages considérables.

En revanche, les équipements sonores de qualité traitent les harmoniques dans la bande des 50 Hz à 16 kHz,
voire 20 kHz.


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