Qu’est-ce que le son ?

D’un point de vue physiologique, le son est un signal perçu par le sens de l’ouïe et d’un point de vue physique, c’est une vibration qui se propage dans un milieu matériel.

Le son est une onde sonore mécanique, c’est une perturbation qui se propage dans un milieu matériel élastique sans le perturber. C’est-à-dire que l’onde transporte de l’énergie sans transporter de matière. Les ondes sonores peuvent donc se transmettre dans l’air, l’eau ou un mur par exemple, qui sont des milieux élastiques mais elles ne peuvent pas se transmettre dans le vide puisque ce n’est pas un milieu élastique.

L’être humain peut entendre des sons dont les fréquences s’étalent de 20 Hz à 20 KHz environ. On appelle ces ondes les ondes acoustiques.

Un infrason est une onde sonore de fréquence inférieure à 20 Hz et un ultrason est une onde sonore de fréquence supérieure à 20 KHz.

Comment se propagent les ondes sonores ?

Les ondes sonores sont produites par des corps en vibration. Ces vibrations sont transmises aux particules du milieu de proche en proche : c’est la propagation. Les particules oscillent autour de leur position au repos.

Le son se propage par variation de la pression dans un milieu. Cette pression est la mesure des forces qui s’exercent sur les particules du milieu. La variation de pression est induite par un mouvement de ces particules, elles se heurtent et exercent des forces supplémentaires sur leurs voisines et ainsi de suite.

A l’origine, la perturbation est créée par une source mécanique qui entraîne de faibles variations de pression des molécules : c’est la pression acoustique. Les molécules s’entrechoquent entre elles pour transmettre la déformation, elles subissent de micro-déplacements. Une fois la perturbation passée, ces molécules reviennent à leur position initiale. Il y a donc eu une propagation d’énergie dans un milieu matériel sans transport de matière.

De quoi dépend la vitesse de la propagation ?

La manière d’osciller des particules détermine la vitesse de propagation de l’onde. Elle dépend de la distance qui sépare les particules de leur masse.

Cependant, tous les sons se propagent à la même vitesse dans un même milieu. La vitesse du son est liée aux caractéristiques du milieu de propagation (composition, pression et température du milieu).

Dans l’air à une température de 20°C, sa vitesse est d’environ 340 mètres par secondes.

Expériences

Pour pouvoir comprendre en quoi la géométrie de l’espace influence la propagation des ondes sonores, nous avons réalisé des expériences dans différents milieux.

Notre expérience consiste à montrer la différence de puissance sonore d’un signal en fonction de la géométrie de l’espace.

Nous avons effectué notre première partie d’expérience dans une salle de l’établissement. Pour cela, nous avons utilisé une enceinte, sur laquelle se trouvait le signal sonore utilisé tout au long de notre démarche, un ordinateur portable avec son micro, le logiciel MATLAB qui nous a permis de calculer les puissances sonores, une plaque métallique de 39,5 centimètres de hauteur et 60 cm de longueur.

Nous avons commencé par la préparation de l’expérience : nous avons enregistré une note jouée par Zoé au violon. Nous l’avons ensuite diffusé par l’intermédiaire de l’enceinte dans la pièce et avons calculé la puissance du signal enregistré à l’aide du logiciel MATLAB.

Le logiciel Matlab utilisé sert à faire du traitement d’image et de sons.

Grâce à un Algorithme créé par Marielle Malfante, étudiante à SICOM, nous avons fait notre enregistrement en cinq étapes :
• l’enregistrement : le logiciel enregistre le son produit par l’enceinte pour pouvoir l’analyser.
• la visualisation : la courbe du signal enregistré précédemment est créée par le logiciel et s’affiche.
• la sauvegarde du signal : le signal est automatiquement enregistré.
• la lecture audio du signal : le signal enregistré est rediffusé par l’ordinateur.
• le calcul des puissances : le logiciel calcule la puissance linéaire et la puissance décibel du signal et affiche les résultats obtenus.

Dans toutes les expériences, nous avons placé l’enceinte à deux mètres du micro lié au logiciel MATLAB de l’ordinateur.

Les notions de perte de puissance d'une onde sonore

Au début de sa propagation, chaque onde sonore possède une certaine puissance. En entrant en contact avec un autre milieu, par exemple un mur, l'onde sonore se divise en trois rayons, comme expliqué dans notre première partie. La puissance de l'onde de départ est alors divisée en trois, et est répartie dans ces trois nouveaux rayons en fonction des coefficients de réflexion et d'absorption du nouveau milieu avec lequel l'onde rentre en contact. Cela explique la perte de puissance d'une onde sonore après collision avec un objet. En effet, seul le rayon réfléchi de l'onde reste dans le milieu de départ. Toutes les autres ondes sonores créées, qui ont chacune leur puissance, subissent encore ce même cycle en rentrant dans des milieux différents, jusqu'à la fin du signal sonore.

Explications des résultats des expériences

Que l'on soit dans une salle du lycée ou dans la chambre sourde, nous avons observé, durant nos expériences, que si la source sonore était dos au micro, la puissance du son perçue par celui-ci était beaucoup plus faible que lorsque la source sonore était face au micro.

On peut expliquer ce phénomène en schématisant la propagation des ondes sonores.

Lorsque la source sonore est face au micro, l'onde sonore est immédiatement reçue par le micro. Elle ne traverse qu'un seul milieu, l'air. L'onde a une trajectoire constante linéaire, ainsi lorsqu'elle arrive au micro, elle a perdu peu de puissance.

Lorsque la source sonore est dos au micro, l'onde de départ rencontre un autre milieu : le mur. L'onde est ainsi divisée, et les rayons réfléchis sont moins puissants à cause de la répartition de la puissance lorsqu'ils sont renvoyés vers le micro. C'est pourquoi la puissance calculée par l’algorithme est plus faible que lorsque la source sonore est face au micro.

On peut voir que si l'on effectue l'expérience dans la salle du lycée ou dans la chambre insonorisée, il y a une différence de puissance qui n'est pas négligeable. Pourquoi dans la chambre insonorisée, les puissances sont bien inférieures à celles d'une salle normale ?

On peut expliquer la différence de puissance sonore entre les expériences effectuées dans ces deux lieux par l'architecture et l’aménagement des salles.

La salle de notre lycée est constituée de murs verticaux, qui réfléchissent, diffusent et réfractent les ondes sonores de manière simple. Il n'y a pas eu de recherches pour atteindre une acoustique spéciale, donc la puissance obtenue dans nos résultats est un résultat qui ne nous surprend pas puisque nous entendons les sons de cette façon tous les jours.

La chambre sourde du campus possède une architecture travaillée dans le but d'obtenir une puissance sonore très faible. Les murs de cette salle, contrairement aux murs de salles basiques, sont composés de dièdres qui font que les rayons réfléchis des ondes sonores réfléchissent encore et encore. Ainsi, grâce à la répartition de la puissance entre les trois rayons créés par la division de l'onde, les rayons réfléchis des ondes sont moins puissants que les ondes sonores de base. Le but de ce système est que les ondes sonores réfléchies soit d'une puissance minimale.

Ainsi, la différence des résultats obtenus dans nos expériences est justifiée grâce à l'architecture complexe de la chambre sourde.